Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2012 № 09

Стоит, наверное, сказать, что ситуация с делимостью и неделимостью в мире физики сложилась довольно непростая. Еще в XIX веке многие ученые испытали разочарование, даже шок, узнав, что атом, который прежде представлялся единым (ведь даже само слово «атом» переводится с греческого как «неделимый»), вдруг оказался составным, то есть состоящим из более мелких частиц.

Эти частицы, повторив ошибку, ученые опять-таки назвали элементарными. Такое название подразумевало, что они-то уж точно неделимы. Однако в XX веке большинство обнаруженных прежде частиц стали терять звание «элементарные», распадаясь в ускорителях на составные части.

Началось все с протона и нейтрона — частиц, что составляют атомное ядро. Было доказано, что они состоят из более мелких частиц, которые называются кварки.

Получается, что раз они составные, то, значит, все же не элементарные.

Электрону повезло больше — он держался в ранге неделимых дольше всех других частиц. Но, в конце концов, и он был вынужден покинуть ряды элементарных частиц.

Дело в том, что еще примерно пол века назад физики предсказали возможность разделения электрона на три квазичастицы. Правда, проявляются эти три квазичастицы лишь в особых условиях. Например, в пределах одномерных цепочек атомов, стоящих очень близко друг к другу (такое часто бывает в углеродных нанотрубках).

Причем электрон, похоже, вовсе не распадается на частицы, как это происходит при делении других «элементарных» частиц. То есть даже в нанотрубках не происходит такого, чтобы при взаимодействии с близко расположенными электронами других атомов какой-то из них (для удобства представим его как шарик) вдруг развалился на три шарика помельче. Причем один из «малышей» сохраняет заряд электрона, другой вертится вокруг своей оси так же, как электрон (сохранил спин), а третий движется по той же орбите, что и электрон (сохранил орбитальные взаимодействия).

На самом деле электрон ни на какие частицы не распадается. Просто при сближении друг с другом в пределах одномерной цепочки электроны соседних атомов начинают взаимодействовать друг с другом особым образом. И это взаимодействие можно описать, представив себе, что их осуществляют три различные частицы — те самые холон, спинон и орбитон.

Как же такое возможно?

Исследователи Йероен ван дер Бринк, Кшиштоф Вофельди Торстен Шмидт(слева направо).

Представьте себе, что атомы стоят столь плотно, что электроны образовали так называемый вигнеровский кристалл — то есть компактную упорядоченную структуру вроде кристаллической решетки. При этом в узлах данной решетки возникнут коллективные колебания электронов (как это происходит с узловыми частицами любого кристалла). Но данные колебания обязательно будут сопровождаться переносом заряда. В этом случае можно говорить о возникновении квазичастицы холона.

В то же время электроны в цепочке обладают спином и, соответственно, между ними существует некоторое спин-спиновое взаимодействие. А поскольку все электроны стоят вплотную друг к другу, логично предположить, что, если мы перевернем один из спинов (как бы сместим ось его вращения), то по цепочке побежит спиновое возмущение. И оно вовсе не будет сопровождаться переносом заряда. Получается, что в данном случае мы имеем дело с другой квазичастицей — спиноном.

Вигнеровский кристалл — компактная упорядоченная структура, вроде кристаллической решетки.

Впрочем, поначалу все выше приведенные рассуждения представляли собой лишь мысленный эксперимент, затеянный физиками еще в 90-х годах прошлого века.

А вот убедиться в существовании спинона и холона реально удалось не так давно — в 2006 году. Тогда группа ученых во главе с Ким Чанюном из университета Енсей в Сеуле (Республика Корея), Эли Ротенберг и Шень Чжи Сюнем из Стэнфордского университета (США) сообщила об обнаружении четких спектральных сигналов спинонов и холонов в одномерных образцах купрата стронция.

Вскоре после этого Торстен Шмидт и его коллеги из института Пауля Шеррера (Швейцария) смогли разделить электрон на спинон и орбитон внутри атома оксида меди. Для этого они использовали ускоритель, в котором бомбардировали электроны рентгеновскими лучами, чтобы их возбудить — повысить уровень их энергии. Сравнивая уровень поглощенной и излученной энергии, физики смогли определить, что разделение произошло.

И наконец, уже в 2012 году другая группа физиков из Германии, Швейцарии, Франции и Нидерландов под руководством госпожи Джастин Шлаппа смогла «отделить» орбитон. «Подопытным кроликом» выступил опять-таки купрат стронция. А вот методика была уже другая — использовалось так называемое неупругое рассеяние частиц. Она заключалась в том, что образец бомбардировали быстрыми частицами. Это приводило электроны в возбужденное состояние и одновременно давало исследователям возможность отмечать расположение и конфигурацию их спинов.

Измерив же спины и орбитальные угловые моменты (они характеризует движение частиц по орбитали вокруг ядра) электронов, исследователи поняли, что орбитон и спинон существуют одновременно. Дело в том, что изменение спина и орбитального углового момента не совпадали — а это значит, что спинон и орбитон передвигаются внутри материала с разной скоростью. То есть как отдельные квазичастицы.

…Итак, существование орбитона наконец-то экспериментально подтверждено, из-за этого электрон окончательно лишился звания элементарной частицы. Однако эксперименты ученых сводились не только к исправлению терминологии; например, орбитон и сам по себе представляет немалую ценность. Его существование поможет объяснить некоторые аномалии высокотемпературных сверхпроводников — почему в них возникает сверхпроводимость в таких условиях, в каких вроде бы не должна возникать.

Кроме того, движение орбитонов и спинонов можно будет использовать при создании квантовых компьютеров — эти квазичастицы движутся настолько быстро, что их перемещение от одной квантовой точки к другой занимает фемтосекунды. А значит, перенос информации будет почти что мгновенный…

Наконец, сделанное открытие даст ученым возможность сделать еще один шаг к пониманию того, что же представляет собой электричество…

Публикацию по материалам Nature News

подготовил С. НИКОЛАЕВ