Электрон: не такой уж и элементарный

Впервые экспериментально удалось продемонстрировать одновременное и независимое существование спинонов и орбитонов электронов. Обнаружение орбитонов может продвинуть наше понимание высокотемпературной сверхпроводимости и помочь в создании квантовых компьютеров.

В отличие от протонов и нейтронов, электрон не состоит из частиц. Но в пределах одномерных цепочек атомов он может вести себя так, будто состоит из трёх квазичастиц: холона, спинона и орбитона.

Из-за взаимодействия между электронами в подобных квазиодномерных структурах электроны, имеющие спин 1/2 и подчиняющиеся статистике Ферми — Дирака, начинают вести себя как квазичастицы со спином 0 и 1 — холоны и спиноны, подчиняющиеся статистике Бозе — Эйнштейна. Холон переносит только заряд и не переносит спин, в то время как спинон переносит только спин и не переносит заряд. Орбитон же, теоретически предсказанный около двадцати лет назад, является элементарным квантом орбитальной волны.

Ранее уже удавалось добиться разделения электрона на две квазичастицы — холон и спинон. Теперь же, используя метод рентгеновского резонансного неупругого рассеяния (RIXS), физики воздействовали на специальный материал, в котором электроны наличествуют в одномерной цепочке атомов при крайне низкой температуре. При изучении свойств такого материала под действием RIXS было установлено, что орбитоны распространяются через него независимо от спина их электрона, причём с разной скоростью.

Статья, посвящённая описанию орбитонов, опубликована в свежем выпуске журнала Nature. Её авторы, Джастин Шлаппа, Кшиштоф Вофельд, Кэцзинь Чжоу и др. физики из Германии, Швейцарии, Франции и Нидерландов, наблюдали орбитоны в изоляторе Мотта Sr₂CuO₃; по характеру это скорее металл, но при этом материал не проводит электричество из-за электрон-электронного взаимодействия. Применение RIXS позволило возбуждать электроны в атомах меди и одновременно отмечать расположение и конфигурацию спинов их электронов.

Замером спина и орбитального углового момента электронов команде г-жи Шлаппа удалось показать, что орбитон и спинон существуют одновременно, при этом передвигаются вдоль Sr₂CuO₃ с разной скоростью.

Изучение наконец-то экспериментально обнаруженных орбитонов представляет интерес хотя бы потому, что может пролить свет на давнее «недоразумение» с высокотемпературной сверхпроводимостью в ряде веществ, которую существующие теории объяснить не в состоянии. Кроме того, перенос информации между квантовыми точками по таким одномерным материалам может решить основную проблему квантовых компьютеров, а именно то, что квантовые состояния обычно разрушаются до того, как компьютер успевает провести вычисления. Если удастся реализовать передачу информации при помощи орбитонов и спинонов, двигающихся настолько быстро, что их трансфер от одной квантовой точки к другой занимает фемтосекунды, то, наверное, станет возможным построение настоящего квантового компьютера.

Подготовлено по материалам Nature News.