Вперше експериментально вдалося продемонструвати одночасне і незалежне існування спінонів та орбітонів електронів. Виявлення орбітонів може покращити наше розуміння високотемпературної надпровідності та допоможе у створенні квантових комп'ютерів.

На відміну від протонів і нейтронів, електрон є неподільним і не складається із частинок. Але у межах одновимірних ланцюжків атомів він може поводитися так, наче складається із трьох квазічастинок: холону, спінону та орбітону.

Внаслідок взаємодії між електронами у таких квазіодновимірних структурах електрони, що мають спін 1/2 і підпорядковуються статистиці Фермі - Дірака, починають поводитися як квазічастинки зі спіном 0 і 1 - холони та спінони, що підпорядковуються статистиці Бозе - Ейнштейна. Холон переносить лише заряд і не переносить спін, у той час як спінон переносить лише спін і не переносить заряд. Орбітон же, теоретично передбачений близько двадцяти років тому, є елементарним квантом орбітальної хвилі.

Зліва направо: Єроен ван дер Брінк, Кшиштоф Вофельд і Торстен Шміт. (Фото Філіпа Дера)

Раніше вже вдавалося домогтися розділення електрону на дві квазичастинки - холон та спінон. Тепер же, використовуючи метод рентгенівського резонансного непружного розсіювання (RIXS), фізики вплинули на спеціальний матеріал, у якому електрони є у наявності в одновимірному ланцюжку атомів при дуже низькій температурі. При вивченні властивостей такого матеріалу під дією RIXS було встановлено, що орбітони поширюються через нього незалежно від спіну їхнього електрону, причому з різною швидкістю.

Стаття, присвячена опису орбітонів, опублікована у свіжому випуску журналу Nature. Її автори - Джастін Шлаппа, Кшиштоф Вофельд, Кецзинь Чжоу та ін. фізики з Німеччини, Швейцарії, Франції та Нідерландів - спостерігали орбітони в ізоляторі Мотта Sr₂Cu₃; за характером це скоріше метал, але при цьому матеріал не проводить електрику внаслідок електрон-електронної взаємодії. Застосування RIXS дозволило збуджувати електрони в атомах міді та одночасно відзначати розташування і конфігурацію спінів їхніх електронів.

Вимірюванням спіна та орбітального кутового моменту електронів команді Шлаппа вдалося показати, що орбітон і спінон існують одночасно, при цьому пересуваються вздовж Sr₂Cu₃ з різною швидкістю.

Вивчення нарешті експериментально виявлених орбітонів становить інтерес хоча б тому, що може пролити світло на давнє «непорозуміння» з високотемпературною надпровідністю у ряді речовин, що існуючі теорії пояснити не в змозі. Крім того, перенесення інформації між квантовими точками по таких одномірних матеріалах може вирішити основну проблему квантових комп'ютерів, а саме те, що квантові стани зазвичай руйнуються до того, як комп'ютер встигає провести обчислення. Якщо вдасться реалізувати передачу інформації за допомогою орбітонів та спінонів, що рухаються настільки швидко, що їхній трансфер від однієї квантової точки до іншої буде вимірюватись у фемтосекундах, то це нарешті уможливить створення абсолютно повноцінного квантового комп'ютера.

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: science.compulenta.ru