Οι προσομοιώσεις υπολογιστών δείχνουν πώς τα θεμελιώδη σωματίδια μπορούν να συμπεριφέρονται σαν ηλεκτρόνια σε υπεραγωγό

Στη σφαίρα της κβαντικής φυσικής, τα θεμελιώδη σωματίδια συχνά εμφανίζουν απροσδόκητες και αντιληπτές συμπεριφορές όταν υποβάλλονται σε συγκεκριμένες συνθήκες. Μια ομάδα ερευνητών από το Κέντρο Υπολογιστικής Κβαντικής Φυσικής (CCQ) στο Ινστιτούτο Flatiron της Νέας Υόρκης έχει αποκαλύψει εκπληκτική συμπεριφορά σε ορισμένα σωματίδια παρόμοια με εκείνη των ηλεκτρονίων σε ένα υπεραγωγό. Αυτά τα ευρήματα, που δημοσιεύονται στο περιοδικό "Φυσική Φύση", παρέχουν νέες ιδέες για την κβαντική φύση της ύλης.

Η υπεραγωγιμότητα, ένα φαινόμενο που παρατηρείται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, συνεπάγεται την απώλεια ηλεκτρικής αντοχής σε ορισμένα υλικά, επιτρέποντας την ελεύθερη ροή ηλεκτρικής ενέργειας. Σε συμβατικούς υπεραγωγούς, αυτή η συμπεριφορά προκύπτει λόγω της συλλογικής κίνησης των ζευγών που σχηματίζουν ηλεκτρονικά που σχηματίζουν ζεύγη γνωστών ως ζευγών Cooper. Ωστόσο, η έρευνα της ομάδας CCQ αποκαλύπτει παρόμοια συμπεριφορά σε ένα σύστημα θεμελιωδών σωματιδίων που ονομάζονται μη Abelian Anyons.

Τα μη Abelian Anyons είναι σωματίδια που υπακούουν σε εξωτικά στατιστικά στοιχεία, ξεχωριστά από τα γνωστά στατιστικά στοιχεία των βοσονών και των φερμίων. Αυτά τα σωματίδια δεν βρίσκονται στη φύση, αλλά έχουν προταθεί ως πιθανά quasiparticles σε ορισμένα υλικά και ως θεμελιώδη δομικά στοιχεία σε ορισμένα θεωρητικά μοντέλα.

Χρησιμοποιώντας ισχυρές προσομοιώσεις υπολογιστών, οι ερευνητές διερεύνησαν τη συμπεριφορά των μη Abelian Anyons σε μια δισδιάστατη δομή πλέγματος. Διαπίστωσαν ότι, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να παρουσιάσουν μια κατάσταση που μοιάζει με υπεραγωγιμότητα. Σε αυτό το "Superconductor", τα σωματίδια συμπυκνώνονται σε μια συλλογική κατάσταση στην οποία χάνουν αποτελεσματικά την ατομική τους ταυτότητα και κινούνται από κοινού, όπως τα ηλεκτρόνια σε ένα συμβατικό υπεραγωγό.

Αυτή η αξιοσημείωτη συμπεριφορά προέρχεται από τις εγγενείς τοπολογικές ιδιότητες των μη Abelian Anyons. Σε αντίθεση με τα συμβατικά σωματίδια, τα Anyons φέρουν ένα τοπολογικό φορτίο που δεν μπορεί να αφαιρεθεί χωρίς να αλλάξει την ταυτότητά τους. Αυτό το τοπολογικό φορτίο οδηγεί σε αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας μεταξύ των σωματιδίων, με αποτέλεσμα τη συλλογική συμπεριφορά που παρατηρείται στην προσομοίωση.

Η ανακάλυψη του "Superconductivity" του Anyon ανοίγει νέες οδούς για την εξερεύνηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των τοπολογικών ιδιοτήτων και της κβαντικής φυσικής πολλών σωμάτων. Η μελέτη συμβάλλει επίσης στην ευρύτερη κατανόηση των μη συμβατικών καταστάσεων της ύλης και μπορεί να παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά ορισμένων εξωτικών υλικών.

Ενώ τα μη Abelian Anyons δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί άμεσα σε πειράματα, τα θεωρητικά ευρήματα της ομάδας CCQ παρακινούν περαιτέρω εξερεύνηση τοπολογικών κβαντικών φαινομένων και ενισχύουν την περίπτωση για αναζήτηση υλικών που μπορεί να φιλοξενήσουν τέτοια σωματίδια.