Фракционирование

Феномен в квантовой механике

В квантовой механике фракционирование — это явление, при котором квазичастицы системы не могут быть построены как комбинации ее элементарных составляющих. Одним из самых ранних и наиболее ярких примеров является дробный квантовый эффект Холла , где составные частицы являются электронами , но квазичастицы несут доли заряда электрона . ^{[1] [2]} Фракционирование можно понимать как деконфайнмент квазичастиц, которые вместе рассматриваются как составляющие элементарные составляющие. Например, в случае разделения спина и заряда электрон можно рассматривать как связанное состояние «спинона » и « холона (или чаргона )», которые при определенных условиях могут стать свободными для перемещения по отдельности.

История

Квантованная проводимость Холла была открыта в 1980 году и связана с зарядом электрона. В 1983 году Лафлин предложил жидкость дробных зарядов, чтобы объяснить дробный квантовый эффект Холла (ДКЭХ), обнаруженный в 1982 году, за который он разделил Нобелевскую премию по физике 1998 года. В 1997 году эксперименты напрямую наблюдали электрический ток заряда в одну треть. Заряд в одну пятую был обнаружен в 1999 году, и с тех пор были обнаружены различные нечетные дроби.

Позже было показано, что неупорядоченные магнитные материалы образуют интересные спиновые фазы. Фракционирование спина наблюдалось в спиновых льдах в 2009 году и спиновых жидкостях в 2012 году.

Дробные заряды продолжают оставаться активной темой в физике конденсированных сред. Исследования этих квантовых фаз влияют на понимание сверхпроводимости и изоляторов с поверхностным транспортом для топологических квантовых компьютеров .

Физика

Многочастичные эффекты в сложных конденсированных материалах приводят к эмерджентным свойствам, которые можно описать как квазичастицы, существующие в веществе. Поведение электронов в твердых телах можно рассматривать как квазичастичные магноны, экситоны, дырки и заряды с различной эффективной массой. Спиноны, чаргоны и анионы не могут считаться комбинациями элементарных частиц. Были обнаружены различные квантовые статистики; Волновые функции анионов получают непрерывную фазу в обмен: ^[3]

${\displaystyle P(|\Psi _{1}\rangle |\Psi _{2}\rangle )=e^{i\theta }|\Psi _{2}\rangle |\Psi _{1}\rangle }$

Было обнаружено, что многие изоляторы имеют проводящую поверхность с двумерными квантовыми состояниями электронного газа.

Системы

Солитоны в 1D, такие как полиацетилен , приводят к половинным зарядам. ^[4] Разделение спинового заряда на спиноны и холоны было обнаружено в электронах в 1D SrCuO ₂ . ^[5] Были изучены квантовые проволоки с дробным фазовым поведением.

Спиновые жидкости с дробными спиновыми возбуждениями встречаются во фрустрированных магнитных кристаллах, таких как ZnCu ₃ (OH) ₆ Cl ₂ ( гербертсмитит ), и в α-RuCl ₃ . ^[6] Дробные спиновые возбуждения 1/2 также наблюдались в квантовых спиновых цепочках со спином 1. ^[7] Спиновый лед в Dy ₂ Ti ₂ O ₇ и Ho ₂ Ti ₂ O ₇ имеет дробленную спиновую свободу, что приводит к деконфайнментированным магнитным монополям. ^[8] Их следует противопоставлять квазичастицам, таким как магноны и куперовские пары , квантовые числа которых являются комбинациями составляющих. Наиболее известными могут быть квантовые системы Холла, возникающие в сильных магнитных полях в двумерных электронных газовых материалах, таких как гетероструктуры GaAs. Электроны в сочетании с вихрями магнитного потока переносят ток. Графен демонстрирует фракционализацию заряда.

Были сделаны попытки распространить дробное поведение на 3D-системы. Поверхностные состояния в топологических изоляторах различных соединений (например, сплавы теллура , сурьма ) и кристаллы чистых металлов ( висмут ) ^[9] были исследованы на предмет сигнатур фракционирования.

Примечания

1. "Открыты дробные носители заряда". Physics World . 24 октября 1997 г. Архивировано из оригинала 2010-01-17 . Получено 2010-02-08 .
2. Мартин Дж, Илани С, Верден Б, Смет Дж, Уманский В, Махалу Д, Шух Д, Абстрайтер Г, Якоби А (2004). «Локализация дробно заряженных квазичастиц». Наука . 305 (5686): 980–3. Бибкод : 2004Sci...305..980M. дои : 10.1126/science.1099950. ПМИД  15310895.
3. Стерн, Ади; Левин, Майкл (январь 2010 г.). «Точка зрения: освобождение анионов от двух измерений». Физика . 3 : 7. Bibcode : 2010PhyOJ...3....7S. doi : 10.1103/Physics.3.7 .
4. RA Bertlmann; A. Zeilinger (2002-07-27). Квантовые (не)выразимые: от колокола к квантовой информации . Springer Science & Business Media. стр. 389–91. ISBN 978-3-540-42756-8.
5. Ким, Б. Дж.; Кох, Х.; Ротенберг, Э.; О, С. -Дж.; Эйсаки, Х.; Мотояма, Н.; Учида, С.; Тохьяма, Т.; Маекава, С.; Шен, З. -Х.; Ким, К. (21 мая 2006 г.). «Различные дисперсии спинонов и холонов в спектральных функциях фотоэмиссии из одномерного SrCuO2». Nature Physics . 2 (6): 397–401. Bibcode :2006NatPh...2..397K. doi :10.1038/nphys316.
6. Баннерджи, А.; Бриджес, К.А.; Ян, Дж.-К.; и др. (4 апреля 2016 г.). «Приблизительное поведение Китаева квантовой спиновой жидкости в сотовом магните». Nature Materials . 15 (7): 733–740. arXiv : 1504.08037 . Bibcode :2016NatMa..15..733B. doi :10.1038/nmat4604. PMID  27043779.
7. Мишра, Шантану; Катарина, Гонсалу; Ву, Фупенг; Ортис, Рикардо; Джейкоб, Дэвид; Эймре, Кристьян; Ма, Джи; Пиньедоли, Карло А.; Фэн, Синьлян; Руффье, Паскаль; Фернандес-Россье, Хоакин; Фазель, Роман (13 октября 2021 г.). «Наблюдение дробных краевых возбуждений в спиновых цепочках нанографена». Природа . 598 (7880): 287–292. arXiv : 2105.09102 . Бибкод : 2021Natur.598..287M. дои : 10.1038/s41586-021-03842-3. PMID  34645998. S2CID  234777902.
8. C. Castelnovo; R. Moessner; S. Sondhi (2012). «Спиновый лед, фракционирование и топологический порядок». Annual Review of Condensed Matter Physics . 3 (2012): 35–55. arXiv : 1112.3793 . doi :10.1146/annurev-conmatphys-020911-125058.
9. Бениа, К; Баликас, Л; Копелевич, Ю (2007). «Признаки электронного фракционирования в ультраквантовом висмуте». Наука . 317 (5845): 1729–1731. arXiv : 0802.1993 . Бибкод : 2007Sci...317.1729B. дои : 10.1126/science.1146509. ПМИД  17702909.