Ученые при помощи наноразмерного интерферометра, сверхнизкой температуры и мощного магнитного поля наблюдали необычные квазичастицы.
Ученые из Университета Пердью в Уэст-Лафайетте продемонстрировали экспериментально существование группового поведения электронов, приводящего к образованию энионов — квазичастиц, которые возникают в двумерных системах. опубликована в издании Nature Physics.
До открытия энионов элементарные частицы и квазичастицы делили на две большие группы: фермионы и бозоны. К первым относятся носители электрического заряда, например, электроны, ко вторым — фотоны. У фермионов и бозонов ряд фундаментальных отличий: у фермионов может быть дробный спин, а у бозонов — только целочисленный; у фермионов есть античастицы, а у бозонов их нет; принцип запрета Паули применим только к фермионам.
Теоретическое обоснование существования энионов было предложено в 1977 году норвежскими физиками. Эти квазичастицы объединяют свойства бозонов и фермионов, не принадлежа к одной из групп. Название происходит от английского слова «any» — «любой». Энионы обладают уникальными характеристиками: дробный заряд и квантовые статистики, сохраняющие память о взаимодействиях с другими квазичастицами.
«Энионы существуют только как коллективные возбуждения электронов в особых условиях, — утверждает соавтор исследования Майкл Манфра. — Но у них действительно проявляются явно необычные свойства. <…> Интересно, ведь как они могут иметь заряд меньше элементарного заряда электрона? Но так и есть».
В 2005 году физики из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке на специальном интерферометре обнаружили несколько событий, вызванных интерференцией квазичастиц. Новая работа предоставляет еще больше экспериментальных подтверждений существованию энионов.
В результате экспериментов по направлению электронов по лабиринту из наноразмерного интерферометра из арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия исследователям удалось создать условия для проявления квазичастиц. Движение частиц было ограничено двумерным пространством, при этом к интерферометру прикладывалось магнитное поле индукцией 9 Тл и охлаждалось до 10 милликельвинов. Полученная картина интерференции частиц, названная «пижамной диаграммой», указывает на появление энионов.
В дальнейшем изучении энионов будут создаваться более сложные интерферометры. Будет возможность управлять расположением и числом квазичастиц в камере, утверждает ведущий автор исследования Джеймс Накамура. Тогда получится изменять количество квазичастиц внутри интерферометра по необходимости и менять интерференционную картину по желанию.
Результаты работы ученых из Америки могут пригодиться при создании эффективных квантовых компьютеров. Авторы исследования полагают, что это преимущественно важный шаг в теоретической квантовой физике и очередное подтверждение того, что квантовый мир необычен.
Ранее мы писали о том, что ученые впервые создалиКарту магнитного поля солнечной короны. оценилиВероятность выживания после падения в норку крота.