Благодаря использованию наноразмерного интерферометра, экстремально низкой температуры и сильного магнитного поля, ученым удалось зафиксировать уникальные квазичастицы.
Ученые из Университета Пердью, расположенного в Уэст-Лейфетт, штат Индиана, предоставили новые экспериментальные данные, подтверждающие групповое поведение электронов. Это приводит к образованию энионов — квазичастиц, которые возникают в двумерных структурах. Результаты исследования были опубликованы в статье опубликована в издании Nature Physics.
Изначально, до открытия энионов, элементарные частицы и квазичастицы классифицировались на две основные группы: фермионы и бозоны. К фермионам, например, относятся электроны, выступающие в роли носителей электрического заряда, а к бозонам — фотоны. Эти две группы частиц обладают рядом существенных различий: фермионы характеризуются дробным спином, тогда как бозоны имеют только целочисленный; у фермионов существуют античастицы, чего нельзя сказать о бозонах; принцип исключения Паули распространяется исключительно на фермионы.
Теоретическое обоснование существования энионов было впервые представлено в 1977 году норвежскими физиками. Эти квазичастицы представляют собой расширение понятия бозонов и фермионов и не поддаются четкой классификации в рамках этих групп. Название «энион» происходит от английского слова «any», что означает «любой» или «всякий». Энионы демонстрируют уникальные свойства, не встречающиеся у других частиц, такие как дробной заряд и дробные квантовые статистики, которые позволяют им сохранять информацию о взаимодействиях с другими квазичастицами.
«Коллективные возбуждения электронов, известные как энионы, возникают лишь в определенных условиях, — отмечает один из авторов исследования, Майкл Манфра. — Однако они обладают весьма необычными свойствами. Парадоксально, что они могут иметь заряд, меньший, чем элементарный заряд электрона, но это подтверждается экспериментами».
Энионы долгое время оставались лишь гипотетической концепцией. Однако, в 2005 году ученые из Университета Стоуни-Брук, расположенного в штате Нью-Йорк, с помощью специального интерферометра смогли зарегистрировать несколько событий, обусловленных интерференцией этих квазичастиц. Текущее исследование предоставляет дополнительные экспериментальные доказательства существования энионов.
Ученым удалось создать условия для наблюдения квазичастиц, управляя движением электронов по наноразмерному «лабиринту», созданному в интерферометре из арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия. Это позволило ограничить перемещение частиц в двумерном пространстве. Для этого к интерферометру прикладывали сильное магнитное поле с индукцией 9 Тл и охлаждали его до температуры 10 милликельвинов. Полученная картина интерференции частиц, которую исследователи назвали «пижамной диаграммой», свидетельствовала о формировании энионов.
Затем планируется разработка более совершенных интерферометров для дальнейшего изучения энионов. «Мы получим возможность управлять положением и числом квазичастиц в камере», — отмечает ведущий автор исследования Джеймс Накамура. — «Это позволит нам регулировать количество квазичастиц внутри интерферометра по требованию и изменять интерференционную картину по желанию».
Исследование, проведенное американскими учеными, может способствовать разработке высокопроизводительных квантовых компьютеров. Тем не менее, по мнению авторов, его основная ценность заключается в продвижении теоретической квантовой физики, и это еще раз подтверждает необычность квантового мира.
Ранее мы писали о том, что ученые впервые создали карту магнитного поля солнечной короны и оценили шансы человека пережить попадание в кротовую нору.