Physiker beweisen die Existenz zweidimensionaler Teilchen

Physiker beweisen die Existenz zweidimensionaler Teilchen
Physiker beweisen die Existenz zweidimensionaler Teilchen

Nach jahrzehntelanger Forschung in den kleinsten Bereichen der Natur haben Physiker endlich Beweise dafür gefunden, dass Anionen existieren. Diese teilchenähnlichen Objekte, die erstmals Anfang der 1980er Jahre von Theoretikern vorhergesagt wurden, treten nur in Bereichen auf, die auf zwei Dimensionen begrenzt sind, und dann auch nur unter bestimmten Bedingungen – wie Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und dem Vorhandensein eines starken Magnetfelds.

Anionen begeistern Physiker nicht nur, weil ihre Entdeckung jahrzehntelange theoretische Arbeit bestätigt, sondern auch aus praktischen Gründen. Anions steht beispielsweise im Mittelpunkt der Bemühungen von Microsoft, einen funktionierenden Quantencomputer zu bauen.

Dieses Jahr wurden zwei zuverlässige Validierungen von Quasiteilchen durchgeführt. Die erste kam im April mit einem Bericht einer Gruppe von Wissenschaftlern der École Normale Supérieure in Paris auf dem Cover des Magazins Science. Mit einer Methode, die erstmals vor vier Jahren beschrieben wurde, leiteten Physiker einen Elektronenstrom durch einen kleinen Teilchenbeschleuniger, um besondere Eigenschaften aufzudecken, die nur auftreten, wenn Anionen vorhanden sind, insbesondere elektrische Ladungsanteile. Die zweite Validierung wurde im Juli von einem Team der Purdue University in Indiana unter Verwendung eines experimentellen Aufbaus auf einem geätzten Chip durchgeführt, um Wechselwirkungen zu eliminieren, die die Anionenaktivität verbergen könnten.

Die erste Arbeit gilt als Entdeckung, aber der MIT-Physiker Frank Wilczek, der Anfang der 1980er Jahre Anionen vorhergesagt und benannt hat, argumentiert, dass die zweite Veröffentlichung Quasiteilchen zum Leuchten bringt. Er behauptet, dass die Arbeit ausgezeichnet war und das Feld zum Blühen gebracht hat. Wissenschaftler werden niemals in der Lage sein, ein Anion von dem System zu trennen, in dem es entstanden ist, da es sich von normalen Elementarteilchen unterscheidet. Sie sind Quasiteilchen, was bedeutet, dass sie zwar messbare Eigenschaften haben, die denen eines Teilchens ähneln, aber nur als Ergebnis der Wechselwirkung anderer, typischerer Teilchen gesehen werden können.

Im bekannten Universum gibt es nur zwei Arten von Elementarteilchen. Eine davon ist die Familie der Fermionen, zu der Elektronen sowie Protonen, Neutronen und die Quarks gehören, aus denen sie bestehen. Fermionen stehen voneinander getrennt, weil keine zwei gleichzeitig im selben Quantenzustand koexistieren können. Ohne diese Eigenschaft könnte alle Materie leicht an einem Ort konzentriert werden. Feste Materie entsteht durch Fermionen.

Bosonen, eine Klasse von Teilchen, zu der auch Teilchen wie Photonen gehören, bilden die verbleibenden Teilchen im Universum. Bosonen können im Gegensatz zu Fermionen zwei oder mehr Zustände gleichzeitig haben. Sie treffen sich oft. Als Ergebnis dieser Clusterbildung haben wir Laser, die Ströme von Photonen sind, die sich alle im selben Quantenzustand befinden.

Anionen gehören keiner der beiden Kategorien an. Anionen haben eine ähnliche Eigenschaft wie Teilchenspeicher, weshalb sie Physiker besonders faszinieren. Der Quantenzustand eines Fermions wird nicht beeinflusst, wenn es um ein anderes Fermion rotiert. Dasselbe gilt für Bosonen.

Alle Anionen sind einzigartig. Die Bewegung der einen um die andere bewirkt eine Änderung des Quantenzustands der Gruppe. Die Anzahl der Zyklen, die erforderlich sind, damit die Anionen in ihren Anfangszustand zurückkehren, kann drei, fünf oder mehr betragen. Diese kleine Wellenänderung fungiert als eine Art Fahrterinnerung.

Da Quantenzustände notorisch zerbrechlich und fehleranfällig sind, macht diese Eigenschaft sie zu begehrten Objekten für Quantencomputer. Anionen bieten eine zuverlässigere Methode der Datenspeicherung.

Wilczek betont, dass Anionen ein ganzes „Reich“ mit einer großen Artenvielfalt und ungewöhnlichen Verhaltensweisen sind, die in Zukunft untersucht und genutzt werden können. Vor etwa 40 Jahren begann er, sie als Doktorand in Betracht zu ziehen, nachdem er mit den Beweisen für die Existenz von nur zwei Arten von Teilchen unzufrieden war.

Auf die Frage nach seinen anderen Eigenschaften oder wo diese ungewöhnlichen Abstandshalter gefunden werden könnten, antwortete er halb im Scherz: "Alles kann passieren." Er hatte von etwas anderem geträumt.

Er behauptet, dass die neueste Forschung nur der Anfang sei. Anionen sieht er in Zukunft als Werkzeug zur Erforschung ungewöhnlicher Materiezustände, was in der Physik bisher nur Theorie ist.

Quelle: science-astronomy.com/

 

Günceleme: 22/01/2023 00:43

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