Електрон відтепер не елементарна частка - ОКО ПЛАНЕТИ інформаційно-аналітичний портал
Нещодавно фізики позбавили електрон заслуженого звання елементарної частки. Справа в тому, що вже давно вчені припускали, що в особливих ситуаціях електрон може розпадатися на три складові — холон, спинон та орбітон. Можливість роздільного існування холону та спинону була доведена шість років тому. А нині вченим вдалося "відокремити" орбітон.
Ще в позаминулому столітті багато вчених зазнали шоку — атома, який раніше уявлявся єдиним і неподільним (власне, кажучи, саме слово «атом» перекладається з грецької як «неподільний»), раптом виявився складним, тобто таким, що складається з дрібніших частинок. Їхні вчені про всяк випадок назвали елементарними — така назва мала на увазі, що вони вже точно неподільні. Однак щастя тривало, на жаль, недовго — у ХХ столітті більшість виявлених раніше частинок почали втрачати горде звання "елементарні".
Почалося все з протону та нейтрону — частинок, що становлять атомне ядро. Було доведено, що вони складаються з дрібніших частинок, які називаються кварками. Виходить, що якщо вони складові, то все ж не елементарні. А ось електрону пощастило більше - він носив це горде ім'я довше, ніж будь-яка атомна частка. Але врешті-решт і він був змушений залишити ряди елементарних частинок.
Відразу хочу зауважити, що електрон зовсім не розпадається на ці частинки так, як протон чи нейтрон на кварки. Тобто навіть у нанотрубках не відбувається такого, що при взаємодії з близько розташованими електронами інших атомів, якийсь конкретний електрон (для зручності представимо його як кулька) раптом розвалився на три дрібніші кульки. Причому один із них зберіг заряд електрона, інший крутиться навколо своєї осі так само, як електрон (зберіг спин), а третійрухається тією самою орбітою, як і електрон (зберіг орбітальні взаємодії).
Насправді електрон, звичайно, ні на які частки не розвалюється. Просто при зближенні один з одним у межах одномірного ланцюжка електрони сусідніх атомів починають взаємодіяти один з одним особливим чином. І цю взаємодію можна описати не виходячи з властивостей самих електронів, а уявивши собі, що їх здійснюють три гіпотетичні частки — ті самі холон, спинон та орбітон. Зокрема, вже давно було експериментально показано, що у таких взаємодіях зміни заряду не пов'язані зі зміною спина.
Але як це можливо? Уявіть собі, що атоми стоять настільки щільно, що електрони утворили так званий вігнерівський кристал — компактну впорядковану структуру на кшталт кристалічних ґрат. При цьому у вузлах цієї решітки виникнуть колективні коливання електронів (як це відбувається з вузловими частинками будь-якого кристала). Але ці коливання обов'язково супроводжуватимуться перенесенням заряду. У цьому випадку можна говорити про виникнення квазічастинки холону.
У той же час електрони в ланцюжку володіють спином, і, між ними існує деяка спін-спінова взаємодія. А оскільки всі електрони стоять впритул один до одного, логічно припустити, що якщо ми перевернемо один зі спинів, то ланцюжком побіжить спинове обурення. І воно зовсім не супроводжуватиметься перенесенням заряду. В даному випадку ми маємо справу з іншою квазічастинкою – спиноном.
Те, про що ми зараз розмовляли, є уявним експериментом, проведеним фізиками ще в 90-х роках минулого століття. А ось домогтися виникнення спинону і холону насправді вдалося нещодавно — 2006 року. Тоді група вчених на чолі з КімЧанюном з університету Енсей у Сеулі (Республіка Корея), Елі Ротенберг та Шень Чжі Сюнем зі Стенфордського університету повідомила про виявлення чітких спектральних сигналів спінонів та холонів у одновимірних зразках SrCuO2. Слід зазначити, що ця речовина дуже своєрідна - за своїми властивостями вона швидше за метал, але при цьому даний матеріал не проводить електрику через постійну електронно-електронну взаємодію. Тож розділити спинон та холон вирішили саме там.
Методика фотоемісійної спектроскопії, що використовується фізиками, з кутовим дозволом ARPES полягала в тому, що зразок опромінювався рентгенівськими променями, що викликають емісію електронів (що також відомо як фотоефект). Вимірювання кінетичної енергії електронів і кутів, що випускаються, під якими вони вилітають, дозволяє обчислити їх швидкість і ступінь розсіювання. Це своє чергу дає детальну картину енергетичного спектра електрона.
А оскільки відомо, що видалення електрона призводить до утворення позитивно зарядженої "дірки", яка несе інформацію як про спину, так і про заряд, слід фіксувати саме її утворення. Це саме утворення "дірки" проявляється у вигляді одного піку спектру ARPES. Якщо відбувається поділ заряду та спина, "дірка" розпадається на спинон і холон, і в спектрі ARPES з'являються два піки. Саме ці два піки і зафіксували вчені. Таким чином, можливість незалежного існування спинону і холону була доведена.
Нещодавно інша група фізиків з Німеччини, Швейцарії, Франції та Нідерландів під керівництвом пані Джастін Шлаппа змогла "відокремити" орбітон. "Піддослідним кроликом" виступив той самий SrCuO2. А ось методика була вже інша – так зване непружне розсіювання частинок (RIXS). Вона полягала в тому, що зразок бомбардувалишвидкими частинками. Це приводило електрони у збуджений стан і водночас дослідники могли відзначати розташування та конфігурацію їхніх спинів.
Вимірявши спини і орбітальні кутові моменти (він характеризує рух частинки по орбіталі навколо ядра) електронів, дослідники зрозуміли, що орбітон і спинон існують одночасно. Справа в тому, що зміна спина та орбітального кутового моменту не збігалися – а це означає, що спинон та орбітон пересуваються вздовж Sr2CuO3 з різною швидкістю. Тобто це окремі квазічастки.
Отже, існування орбітону експериментально підтверджено, і через це електрон остаточно втратив почесне звання елементарної частки. Проте експеримент вчених зводився зовсім не до виправлення термінології — орбітон і сам по собі має чималу цінність. Наприклад, його існування може пояснити деякі аномалії високотемпературних надпровідників – чому в них виникає надпровідність у таких умовах, у яких начебто не має виникати.
Крім того, рух орбітонів і спінонів можна буде використовувати при створенні квантових комп'ютерів - ці квазічастинки рухаються настільки швидко, що їхнє переміщення від однієї квантової точки до іншої займає фемтосекунди. А значить, перенесення інформації буде майже миттєвим…