Индивидуальные (изолированные) электроны считаются элементарными частицами, то есть их нельзя разложить на составляющие. Однако в 80-х годах прошлого века советские физики-теоретики предсказали, что электроны в одномерной цепочке атомов можно будет разложить на три квазичастицы — орбитон, спинон и холон.

Холон отвечает за заряд электрона, спинон определяет его спин, а орбитон – орбитальное положение.

«Эти квазичастицы могут двигаться в материале с разной скоростью и даже в разных направлениях», — добавляет профессор Йероэн ван ден Бринк (Jeroen van den Brink) из немецкого Института конденсированного состояния и материалов (IFW).

Такое нелогичное с точки зрения классической физики явление возможно из-за волновой природы электронов в атоме.

«Когда мы возбуждаем электрон, он разделяется на несколько волн, каждая из которых несёт свою характеристику электрона. Но вне материала они не могут существовать независимо», — объясняет профессор.

Рис. 1. Провести такой эксперимент сложно, прежде всего, с технической точки зрения. Чтобы зафиксировать происходящее, необходимо было уловить крайне малое изменение энергии пучка фотонов (фото Scanderbeg Sauer Photography).

В 1996 году физики впервые разложили электрон на холон и спинон. Недавно ван ден Бринк и его коллеги добились разделения электрона на орбитон и спинон.

Для этого учёные направили пучок рентгеновских фотонов на электрон в одномерном образце купрата стронция (Sr₂CuO₃). Кванты света электромагнитного излучения перевели электрон в возбуждённое состояние, он перешёл на более высокий энергетический уровень (другую орбиталь атома), при этом часть энергии фотонов поглотилась.

Затем поток фотонов возвращается на детекторы. Учёные определяют их количество, энергию, импульс, сравнивают полученные данные с компьютерными моделями.

Так выяснилось, что, когда фотоны теряли энергию в диапазоне от 1,5 до 3,5 электронвольт, спектр пучка получался похожим на тот, что был построен в ходе компьютерного моделирования процесса разделения электрона на орбитон и спинон, двигающихся в материале в противоположных направлениях.

Таким образом, физики впервые получили экспериментальное подтверждение разделения элементарной частицы на эти квазичастицы, а также впервые «поймали» третий компонент — орбитон.

Исследователи полагают, что их открытие поможет понять природу высокотемпературной сверхпроводимости.

Существует гипотеза, что именно движение орбитонов определяет это крайне важное для практического применения свойство материалов. Теперь появилась возможность проверить это предположение.

Ещё одно потенциальное применение нынешнего открытия — создание квантовых компьютеров. Использование квантовых свойств частиц в отличие от классических позволит производить расчёты быстрее – орбитальные переходы занимают фемтосекунды (10–15)! Работать с информацией можно будет на уровне спинонов и орбитонов.

Осталось всего ничего «поделить электрон на все три компонента одновременно», — подводит итог профессор ван ден Бринк.