Ny oppdagelse i Einstein-klasse: Ukjente partikler påvist etter 30 år

På midten av syttitallet beregnet fysikere ved Universitetet i Oslo at det matematisk sett kunne eksistere helt nye typer partikler som verken Einstein eller andre kvantefysikere hadde tenkt på. I sommer fikk fysikerne etter tretti års venting endelig beviset for at partiklene virkelig fins. Nå står kvantecomputere for tur.

TODIMENSJONAL VERDEN: – Det er i den lavdimensjonale verden, hvor partiklenes bevegelse er begrenset til plan eller linjer, at anyonene hører hjemme, forteller professor Jon Magne Leinaas og førsteamanuensis Susanne Viefers ved Fysisk institutt.

I 1976 satt nåværende professor Jon Magne Leinaas ved Fysisk institutt og NTNU-professor Jan Myrheim som vitenskapelige assistenter ved Universitetet i Oslo og regnet seg frem til at det kunne finnes ukjente partikler i naturen som ingen hittil hadde tenkt på. De to nordmennene var de aller første i verden som formulerte denne tesen.

Resultatene ble offentliggjort året etter, men det tok flere år før de ble lagt merke til. Først på midten av 80-tallet vakte oppdagelsen stor interesse. Siden den gang har forskningen på de nye partiklene ført til tre nobelpriser i fysikk. Den ene av dem ble tildelt amerikaneren Frank Wilczek som døpte de ukjente partiklene for anyoner.

Selv om teoriene levner liten tvil om at det fins anyoner i visse typer elektroniske systemer, har fysikerne manglet det eksperimentelle beviset. Lykken var derfor stor da amerikanske forskere i sommer, for første gang i historien, klarte å gi et eksperimentelt bevis for at partiklene virkelig eksisterer.

Jon Magne Leinaas, som regnes som en av landets fremste fysikkteoretikere i anyoner og annen kvantefysikk, påpeker at eksperimentet er svært interessant og gir resultater som stemmer med den teorien de hadde. Professoren mener likevel det er mulig å tolke eksperimentet på forskjellige måter. Han ser derfor frem til flere eksperimenter.

Blanding av fermioner og bosoner

Selv om begrepet anyoner er kjent i fysikermiljøet, kjenner de færreste legfolk til de spesielle partiklene. For å få en formening om hva anyoner er, er det kanskje lurt med noen sekunders grunnkurs i kvantefysikk og partikkellære:

Protoner og nøytroner er bygd opp av kvarker. Atomer er bygd opp av protoner, nøytroner og elektroner. Dette er selve grunnsteinene i materien. Du kan likså godt lære deg begrepet med en gang: Fellesbetegnelsen for alle disse partiklene er fermioner.

Felles for alle fermionene er at de ikke liker å være i nærheten av andre partikler av samme slag. De holder derfor stor avstand seg imellom. Selv om et atom er fryktelig lite, er den relative avstanden mellom atomkjernen og elektronene svært stor. I et hydrogenatom med bare ett elektron er den relative avstanden fra atomkjernen til elektronbanen så stor at elektronet ville ha gått i bane mellom Vadsø og Lindesnes hvis atomkjernen var på størrelse med Nidarosdomen.

Selv om plassen er stor i et atom, er det begrenset plass til elektroner. Elektroner kan bare plassere seg i baner som ikke allerede er besatt. Elektronenes fermion-natur er derfor helt avgjørende for atomenes oppbygning.

De ”asosiale” fermionene er ikke alene om å regjere verden. En annen viktig gruppe partikler kalles for bosoner. Tilværelsen deres er svært annerledes. Bosonene har den egenskapen at mange av dem kan sitte på samme plass. De kan gå i takt og oppføre seg som en enkelt partikkel. Hverdagslige eksempler på bosoner er fotoner (lyspartikler) og gravitoner (en partikkel som ennå ikke er oppdaget, men som fysikerne mener bidrar til gravitasjonskraften).

Det er nå vi endelig er kommet til anyonene:

– Matematisk sett finnes det tilnærmet en uendelig mengde forskjellige typer anyoner. De er alle en slags mellomting mellom fermioner og bosoner ved at de har en blanding av deres ”usosiale” og ”sosiale” egenskaper. Graden av usosial oppførsel bestemmer hva slags anyoner de er. – Slik oppførsel er ikke mulig å fastslå ved bare å se på én partikkel. I stedet må man studere bevegelsesmønsteret til en mengde partikler. Ved å se på den statistiske fordelingen til disse bevegelsene er det mulig å tolke hva slags partikler man har, forteller Jon Magne Leinaas.

Todimensjonale rom

Anyonene har dog en stor begrensning. Ufattelig nok viser det seg at det ikke er mulig å finne et eneste anyon i den tredimensjonale verden. Anyoner eksisterer bare i det todimensjonale rom. Anyoner kan derfor kanskje synes som en ren teoretisk konstruksjon, uten sammenheng med den fysiske verden. Men slik er det ikke.

– I visse kvantemekaniske systemer er all bevegelse begrenset til to dimensjoner. Det er nettopp slike todimensjonale systemer man i dag kan lage ved å manipulere med visse typer materialer, forteller førsteamanuensis Susanne Viefers ved Fysisk institutt.

I det amerikanske eksperimentet i sommer har man studert elektriske strømmer i et grensesjikt mellom to halvledere. Elektronene kan bevege seg fritt i det todimensjonale grensesjiktet, der all bevegelse på tvers er forbudt. På tvers av planet er det et svært sterkt magnetfelt. Ved å variere styrken på dette, kan man bringe elektronene inn i spesielle kvantemekaniske tilstander. Elektronene har i disse tilstandene en uvanlig kollektiv oppførsel som påvirker deres strømning. Mens det enkelte elektron gir opp sin individuelle karakter, gir elektronenes kollektive oppførsel opphav til nye typer partikler. Det er disse partiklene som er anyoner.

Eksperimentet skjedde ved 273 kuldegrader, bare en hundredels grad over den laveste temperaturen som er mulig å oppnå. Men det er ikke nok med sterk kulde, det kreves også materialer med svært stor grad av renhet, der elektronene får bevege seg tilnærmet fritt omkring.

Kvantecomputer

Selv om forskerne bare så vidt har påvist eksistensen til anyoner, er det for tiden stor interesse blant teoretikere for muligheten til å kunne utnytte slike typer partikler i fremtidens kvantedatamaskiner. Anyoner kan også dukke opp i nanoteknologi.

– Det er derfor viktig at vi som teoretikere kan bidra til å forstå denne kvantefysikken, forteller Susanne Viefers som leder det nordiske nettverket for lavdimensjonal kvantefysikk. Det er i denne lavdimensjonale verden, hvor partiklenes bevegelse er begrenset til plan eller linjer, at anyonene hører hjemme.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Atomfysikk, molekylfysikk, plasmafysikk, Kjerne- og elementærpartikkelfysikk Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 11:58
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere