До последнего времени ученые считали, что электрон как элементарная частица, не может быть расколот на меньшие частицы. Однако, в некоторых материалах при определенных условиях возникает явление так называемого фракционирования электрона, когда электрон раскалывается на меньшие части, каждая из которых переносит часть электрического заряда целого электрона. И хотя у этого явления фракционирования имеется несколько перспективных областей использования, его природа не до конца понятна современной науке.

Группа физиков из Высшей нормальной школы (Ecole Normale Superieure), Париж, и Лаборатории фотоники и нанотехнологий (Laboratory for Photonics and Nanostructures) в Маркуси, при помощи установки, используемой для изучения фотонов света, провела ряд экспериментов по изучению явления фракционирования электронов. Примененные ими методы позволили наблюдать за процессом фракционирования единственного электрона, происходящие в пикосекундном масштабе времени.

«Мы оказались в состоянии визуализировать процесс раскола волнового пакета электрона на два отдельных пакета, каждый из которых переносил половину электрического заряда оригинального электрона» – рассказывает Гвендал Фев, ведущий исследователь, – «Мы пытались изучить явления фракционирования электронов в течение уже пяти прошлых лет, и вот только сейчас нам удалось запечатлеть этот процесс с таким временным разрешением, которое позволило его визуализировать».

Технология, которую использовали ученые, называется экспериментом Хонга-У-Мандела (Hong-Ou-Mandel), который обычно используется для измерения степени подобия фотонов. Но в данном случае интерферометр измерял импульсы, вызванные движением электрического заряда электрона. Кроме интерферометра в этом эксперименте был использован специализированный излучатель единичных электронов, разработанный французскими учеными помимо массы других научных инструментов.

Рис. 1.

Исследования движения единственного электрона производились на внешнем одномерном электрическом проводнике интерферометра. А когда электрон разделился на две части, ученые имели возможность наблюдать взаимодействие между этими частями по импульсам от их электрических зарядов.

Когда целый электрон движется по условно одномерному проводнику, кулоновские силы приводят к формированию двух разнополярных областей возбуждения на разных сторонах проводника. Эти области, своего рода электрически заряженные квазичастицы, перемещаются с разными скоростями, что делает возможной их раздельную регистрацию. Кроме этого, возникающие при этом кулоновские силы разрывают электрон на две части, несущие практически равный электрический заряд.

Экспериментальные данные показали, что

когда электрон разделяется на две части, то это состояние не может быть описано, как состояние одной целой частицы, а скорее, как групповое состояние, состоящее из состояний нескольких областей возбуждения. Именно поэтому процесс фракционирования разрушает оригинальный электрон, как частицу, превращая ее в несколько раздельных декогерентных, т.е. имеющих разные фазы, волновых пакетов.

Следует отметить, что понимание природы явления фракционирования электронов пока еще имеет значение для ученых, исследующих границы фундаментальной физики и пытающихся выбраться за эти границы. Но в будущем, когда электроника будет строиться на одномерных электрических проводниках, по которым будут курсировать токи из отдельных электронов, явление фракционирования, разрушающее отдельные электроны, надо будет подавлять любыми доступными способами. А подавлять какое-то явление можно будет только при условия полного понимания его природы, поэтому французские ученые собираются продолжить свои эксперименты при помощи имеющегося у них интерферометра Хонга-У-Мандела, который будет постоянно совершенствоваться.