Одна из самых интересных загадок физики – необычное поведение электрона при его фракционировании на две отдельных квазичастицы. Эти квазичастицы, получившие название спиноны (spinon) и холоны (holon, есть еще вариант – chargon), являются переносчиками спина и электрона заряда соответственно.

Ценке Сюй (Cenke Xu) и Сабир Сачдев (Subir Sachdev) из Гарварда более подробно изучили это явление – процесс спино-зарядового разделения (spin-charge separation), разработав модель, объединяющую две существовавших ранее теории и предлагающую более исчерпывающее описание процесса фракционирования электрона. 

Для фракционирования электронов необходимо, чтобы большое их количество было плотно упаковано в ограниченной области пространства таким образом, чтобы между ними возникали значительные силы электростатического отталкивания. В таких условиях из-за нестабильности, связанной с отталкиванием, электрон меняет свое поведение таким образом, что его магнитные (ассоциированные со спином) и зарядовые свойства разделились на две новые квазичастицы. В физике сплошных сред под квазичастицами подразумеваются явления или группы частиц, ведущие себя подобно частицам. Впервые наблюдение спинонов и голонов было проделано в 2009 году при сжатии электронов в рамках квантового провода.

Нерешенной проблемой, связанной с фракционированием электронов являлось недостаточное понимание о том, что происходит с Ферми-статистикой электрона после процесса разделения спина и заряда. Ферми-статистика описывает свойства всех частиц, для которых выполняется принцип запрета Паули, в соответствии с которым две частицы не могут одновременно характеризоваться одинаковым квантовым состоянием. В стандартной физической модели частицы, подчиняющиеся принципу Паули, носят название фермионов, одним из которых является электрон. Естественный процесс, который возник у физиков после обнаружения процесса фракционирования электрона таков – если происходит фракционирование электрона на его заряд и спин, что при этом происходит со статистикой Ферми для электрона?

Сюй и Сачдев отмечают, что на этот вопрос есть два ответа. Упрощая, можно заметить, что ранее предполагалась ассоциация Ферми-статистики либо со спиновым состоянием, либо с зарядовым, однако исследователи из Гарварда предположили, что эти, на первый взгляд противоречащие друг другу возможности могут быть объединены в рамках одной физической картины – физики предположили, что фракционирование электрона происходит не на две, а на три компоненты, являющихся переносчиками спина, заряда и Ферми статистики. Квазицастицам, ответственным за перенос Ферми-статистики исследователи дали название «фермион Майорана» (Majorana fermion).

Сачдев отмечает, что главная проблема квантовой физики заключается в понимании сути большого количества различных экзотических квантовых состояний многоэлектронных систем. Он уверен, что большинство ранее предложенных теорий в единую, в которой главной квазичастицей является фермион Майорана, ответственный лишь за перенос Ферми-статистики электрона.

Интересно, но определенную роль в модели, предложенной исследователями из Гарварда, может играть бозон Хиггса или, что-то похожее на него. Сюй и Сачдев поясняют, что фермион Майорана может совершать такие же квантовые переходы, как и бозон Хиггса.

Исследователи предполагают, что более глубокое понимание особенностей фракционирования электрона представляет собой не только исключительно теоретические изыскания – полученная информация может оказаться полезной в разработке квантовых компьютеров.

Результаты исследований опубликованы в статье: Physical Review Letters 105, 057201 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.057201.

По материалам