Электроны являются основными носителями электричества и благодаря им же мы можем изготавливать магниты. Электрический и магнитный заряд переносятся электронами, которые традиционно кажутся не только не имеющими размера, но и неделимыми. Однако, новые эксперименты показали, что электроны, при условии насыщенности ими в тонких проволоках, могут быть «расщеплены».

Исследователи из Кембриджского и Бирмингемского университетов (оба — Великобритания) зафиксировали явление разделения спина и заряда в сверхтонких проводниках и показали, что электроны в таких проводниках могут быть разделены на две новых частицы, которые получили название «спиноны» (spinons) и «холоны» (holons). Результаты исследований опубликованы в журнале Science (Probing Spin-Charge Separation in a Tomonaga-Luttinger Liquid).

Крис Форд (фото с сайта Кавендишской Лаборатории)

Наблюдать этот эффект можно в квазиодномерных системах, в которых взаимодействие электронов друг с другом приобретает гораздо большее значение, чем в обычных металлах. Попавшие в такие «стесненные условия» электроны рассматриваются как комбинация двух квазичастиц — спинона, переносящего только спин, и холона, переносящего только заряд.

Свои эксперименты авторы построили на базе модели жидкости Томонаги — Латтинжера, которая описывает взаимодействие электронов в одномерных проводниках — так называемых квантовых проволоках. Последние помещались на минимальном расстоянии от поверхности металла, электроны с которой «перепрыгивали» на проводники за счет эффекта квантового туннелирования. Вся система была охлаждена до сверхнизких температур (около 0,1 К) и помещена во внешнее магнитное поле; изменяя параметры поля и наблюдая за тем, как реагируют на это туннелирующие электроны, исследователи получили экспериментальные свидетельства разделения.

«Такого рода проводники широко используются для соединения квантовых точек, которые в будущем, возможно, станут основой квантовых компьютеров, — объясняет один из авторов работы профессор Кавендишской Лаборатории из Кембриджа Крис Форд (Chris Ford). — Кроме того, изучение свойств квантовых проволок неразрывно связано с теориями сверхпроводимости и электропроводности твердых тел».

«Когда специалисты научились контролировать свойства электрона, появились полупроводники, а с ними и дешевые компьютеры, iPod’ы и много чего еще, — говорит другой участник исследования – профессор теоретической физики из Бирмингема Энди Скофилд (Andy Schofield). — Еще неизвестно, получится ли у нас столь же легко управлять этими новыми частицами».

Энди Скофилд (фото с сайта Бирмингемского Университета)

Справедливости ради следует отметить, что впервые такое явление наблюдалось еще три года назад учеными Национальной Лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory), США.

Евгений Биргер