Наука

Вивчення еніонів показало, що квантовий світ ще більш дивний, ніж вважали фізики

Нанорозмірний інтерферометр, наднизька температура і потужне магнітне поле дозволили вченим спостерігати незвичайні квазічастинки.

Дослідники з Університету Пердью в Уест-Лафайетт, штат Індіана, отримали нове експериментальне підтвердження групової поведінки електронів, при якому утворюються еніони — квазічастинки, що існують в двовимірних системах. Стаття про це опублікована у виданні Nature Physics.

До того, як були відкриті еніони, елементарні частинки і квазічастинки ділили на дві великі групи: ферміони і бозони. До перших, наприклад, відносяться носії електричного заряду — електрони, а до других — фотони. У ферміонів і бозонів є ряд фундаментальних відмінностей: так, ферміони можуть мати дробовий спин, а бозони — тільки цілочисельний; у ферміонів є античастинки, а у бозонів їх немає; принцип заборони Паулі застосуємо тільки до ферміонів.

Існування еніонів було вперше теоретично обгрунтовано ще в 1977 році групою норвезьких фізиків. Ці квазічастинки являють собою узагальнення бозонів і ферміонів і не можуть бути чітко віднесені до однієї з груп. Їх назва походить від англійського слова any — «будь-який, всякий». Еніони мають характеристики, яких немає у інших частинок: наприклад, можуть мати дробовий заряд і дробові квантові статистики, які зберігають «пам’ять» про взаємодію з іншими квазічастинки.

«Еніони існують тільки як колективні збудження електронів при особливих обставинах, — говорить співавтор дослідження Майкл Манфрія. — Але у них дійсно є ці явно незвичайні властивості <…>. Дивовижно, тому що ну як вони можуть мати менший заряд, ніж елементарний заряд електрона? Але так є ».

Довгий час існування еніони залишалося лише теорією. Але в 2005 році фізики з Університету Стоуні-Брук в штаті Нью-Йорк змогли на спеціальному інтерферометрі виявити кілька подій, викликаних інтерференцією цих квазічастинок. Нова робота дає ще більше експериментальних підтверджень існування еніони.

Спрощена схема інтерферометра, на якому проводилися експерименти

Дослідникам вдалося домогтися умов для прояву квазічастинок, направляючи електрони по своєрідному «лабіринту», витравлені в нанорозмірному інтерферометрі з арсеніду галію і арсеніду алюмінію-галію. Таким чином, рух частинок було обмежено двовимірним простором. При цьому до інтерферометра прикладали потужне магнітне поле індукцією 9 Тл і охолоджували його до 10 мілікельвінів. Отримана картина інтерференції частинок — вчені назвали її «піжамною діаграмою» — вказувала на появу еніонів.

Наступним кроком у вивченні еніонів буде створення складніших інтерферометрів.

«<…> У нас буде можливість контролювати розташування і кількість квазічастинок в камері, — говорить провідний автор дослідження Джеймс Накамура. — Тоді ми зможемо змінювати кількість квазічастинки всередині інтерферометра за запитом і міняти інтерференційну картину на свій розсуд ».

Робота американських дослідників може бути корисною для створення продуктивних квантових комп’ютерів. Однак автори дослідження вважають, що це в першу чергу важливий крок в теоретичній квантовій фізиці і черговий доказ того, що квантовий світ дуже дивний.

Натхнення: naked-science.ru

Кнопка «Наверх»