H. Bartolomei, et al. / Science, 2020
Французские физики продемонстрировали энионную статистику при столкновении квазичастиц в двумерном электронном газе с помощью крошечных коллайдеров. Для этого исследователи изучили корреляции тока на квантовом точечном контакте, на который излучались два потока квазичастиц. Представленный эксперимент является первым прямым доказательством существования энионов. Работа опубликована в журнале Science.
В знакомом нам трехмерном пространстве все элементарные взаимодействия можно разделить на две категории, в зависимости от изменения свойств системы при перестановке двух частиц: бозонные и фермионные. В то время как волновая функция бозонной системы не меняет свою фазу при перестановке частиц, волновая функция фермионной системы изменяет фазу на π. Динамика фаз приводит к тому, что бозоны группируются в одном состоянии, а фермионы, напротив, стараются разгруппироваться. Например, эффект Хонга-У-Манделя, который имеет важное значение для работ по созданию квантового компьютера и сетей связи с квантовой криптографией, основывается на бозонных свойствах света группироваться, а принцип запрета Паули, наоборот, базируется на фермионных антигруппировочных свойствах электронов.
В двумерных системах изменение фазы может отличатся от 0 и π, что означается существование другого типа частиц, называемый энионами, которые в свою очередь обладают дробной статистикой. Энионы представляют собой обобщение понятий фермион и бозон и представляют большой интерес для топологических состоянийвещества. К сожалению, обнаружить дробную статистику энионов очень сложно, и до сих пор были представлены лишь косвенные подтверждения.
Группа физиков из Франции под руководством Гвендаля Фива (Gwendal Fève) провела столкновения квазичастиц, которые, предположительно, являются энионами, и измерили их статистику. Эксперимент показал дробную статистику, что является прямым подтверждением того, что изучаемые квазичастицы — энионы.
Схема эксперимента
H. Bartolomei, et al. / Science, 2020
В качестве платформы для исследования энионов физики выбрали квантовые проводники с двумерным электронным газом GaAs/AlGaAS. Однако для осуществления столкновения квазичастиц в таких системах необходимо реализовать излучатель, рассеиватель, а также поддерживать баллистический транспорт частиц. В качестве излучателей и рассеивателя физики использовали квантовые точечные контакты: два контакта использовались как Пуассоновский источник энионов, которые затем сталкиваются на третьем квантовом точечном контакте. Для поддержания баллистического транспорта исследователи приложили к электронному газу сильное магнитном поле в 13 тесла, которое обеспечивает низкую электронную температуру.
Фотография образца с держателем
H. Bartolomei, et al. / Science, 2020
Дробная статистика сталкивающихся квазичастиц была выявлена путем измерения корреляций тока, снятом с рассеивателя. Затем из корреляций тока был посчитан фактор Фано, который определяется набором фазы при столкновении энионов — в данном эксперименте аккумуляция фазы составила π/3.
Измерение фактора Фано при столкновении анионов
H. Bartolomei, et al. / Science, 2020
Больше про бозоны, фермионы и энионы вы можете прочитать в нашем материале «Квантовая азбука».
Михаил Перельштейн