Третий элемент: Такие мелкие кусочки

Одна из наиболее интригующих загадок физики – необычное поведение электрона при дроблении на отдельные квазичастицы. Две квазичастицы, получившие названия спинон и холон, несут информацию о спине и заряде электрона соответственно. Но, возможно, есть и третья.

Ученые из Гарварда исследовали феномен разделения спина и заряда и разработали модель, которая объединяет две выдвинутых ранее теории и более полно описывает процесс дробления электрона.

Чтобы добиться дробления электронов, необходимо «запереть» их в ограниченном пространстве (например, в квантовом проводе, где электроны выстраиваются в одну линию). При этом силы отталкивания, обусловленные их отрицательными зарядами, заставляют часть электрона, несущую информацию о магнетизме (который связан со спином), отделиться от «зарядовой» составляющей. Электрон меняет свое поведение, распадаясь на две квазичастицы - спинон и холон.

В физике конденсированного состояния квазичастицы – это группы частиц, которые ведут себя так, как если бы они были одной частицей. «Увидеть» спиноны и холоны впервые удалось в 2009 году. Ученые создали электростатически закрытую одномерную систему (квантовый провод), в которой и наблюдали разделение спина и заряда.

Впрочем, относительно дробления электронов оставался еще один нерешенный вопрос: что происходит со статистикой Ферми-Дирака после разделения спина и заряда? Статистика Ферми-Дирака описывает свойства всех частиц, подчиняющихся принципу запрета Паули, согласно которому никакие две из этих частиц не могут находиться в одном квантовом состоянии. В рамках Стандартной Модели, в число этих частиц входят все фермионы, одним из которых является электрон. И вот электрон дробится на спинон и холон. Как «распределяется» при этом статистика Ферми-Дирака?

На этот вопрос есть два основных ответа. Упрощенно говоря, статистика Ферми-Дирака либо начинает относиться к спинону, либо – к холону. Однако физики предложили более сложный вариант, который сводит эти две, казалось бы, несовместимые возможности воедино. Ученые предположили, что электрон дробится не на две, а на три квазичастицы, третьей из которых является майорановский фермион. Этот фермион выступает в роли носителя статистики Ферми-Дирака.

«Ключевой проблемой квантовой физики является понимание множества необычных квантовых состояний многоэлектронных систем: квантовой запутанности, проявляющейся на больших расстояниях, и природы возбужденных состояний квазичастиц в таких системах, - говорит Субир Сачдев (Subir Sachdev), один из авторов работы. – Мы показали, что большинство выдвинутых ранее разрозненных предположений можно объединить в рамках одной теории, центральную роль в которой играет фермион Майораны. Эта квазичастица является носителем исключительно статистики Ферми-Дирака, но не имеет ни спина, ни заряда. Наша теория ведет к пониманию новых типов квантовых состояний многоэлектронных систем».

Интересно, что в разработанной модели может играть роль бозон Хиггса (или нечто похожее). Как объясняют ученые, фермион Майораны может совершать квантовые переходы, связанные с бозоном Хиггса.

«Изначальная майорановская жидкость может демонстрировать квантовые фазовые переходы в другие многоэлектронные состояния, при этом происходят качественные изменения характера сил взаимодействия квазичастиц, - говорит Сачдев. – Эти силы действуют при посредничестве так называемых «калибровочных бозонов».

Аналогичные калибровочные бозоны рассматриваются физикой элементарных частиц. Например, фотоны передают электромагнитное взаимодействие, глюоны – сильное взаимодействие, а W и Z бозоны – слабое взаимодействие. Бозон Хиггса в физике элементарных частиц необходим для того, чтобы сделать слабое взаимодействие непродолжительным. Без него частицы так и остались бы в фазе продолжительного слабого взаимодействия, которое предположительно существовало только после Большого Взрыва.

Точно также в нашей модели, включающей множество возможных квантовых состояний с различными типами запутанности и квазичастиц, есть квантовые переходы, связанные с изменениями в плотности бозонов, аналогичных бозонам Хиггса в физике элементарных частиц».

Более глубокое понимание дробления электронов может пригодиться при разработке квантовых компьютеров и создании запутанных пар частиц, взаимодействующих на больших расстояниях.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

По сообщению PhysOrg.com