Читать «Юный техник, 2012 № 09» онлайн - страница 10

Представьте себе, что атомы стоят столь плотно, что электроны образовали так называемый вигнеровский кристалл — то есть компактную упорядоченную структуру вроде кристаллической решетки. При этом в узлах данной решетки возникнут коллективные колебания электронов (как это происходит с узловыми частицами любого кристалла). Но данные колебания обязательно будут сопровождаться переносом заряда. В этом случае можно говорить о возникновении квазичастицы холона.

В то же время электроны в цепочке обладают спином и, соответственно, между ними существует некоторое спин-спиновое взаимодействие. А поскольку все электроны стоят вплотную друг к другу, логично предположить, что, если мы перевернем один из спинов (как бы сместим ось его вращения), то по цепочке побежит спиновое возмущение. И оно вовсе не будет сопровождаться переносом заряда. Получается, что в данном случае мы имеем дело с другой квазичастицей — спиноном.

Вигнеровский кристалл — компактная упорядоченная структура, вроде кристаллической решетки.

Хитрости экспериментов

Впрочем, поначалу все выше приведенные рассуждения представляли собой лишь мысленный эксперимент, затеянный физиками еще в 90-х годах прошлого века.

А вот убедиться в существовании спинона и холона реально удалось не так давно — в 2006 году. Тогда группа ученых во главе с Ким Чанюном из университета Енсей в Сеуле (Республика Корея), Эли Ротенберг и Шень Чжи Сюнем из Стэнфордского университета (США) сообщила об обнаружении четких спектральных сигналов спинонов и холонов в одномерных образцах купрата стронция.

Вскоре после этого Торстен Шмидт и его коллеги из института Пауля Шеррера (Швейцария) смогли разделить электрон на спинон и орбитон внутри атома оксида меди. Для этого они использовали ускоритель, в котором бомбардировали электроны рентгеновскими лучами, чтобы их возбудить — повысить уровень их энергии. Сравнивая уровень поглощенной и излученной энергии, физики смогли определить, что разделение произошло.

И наконец, уже в 2012 году другая группа физиков из Германии, Швейцарии, Франции и Нидерландов под руководством госпожи Джастин Шлаппа смогла «отделить» орбитон. «Подопытным кроликом» выступил опять-таки купрат стронция. А вот методика была уже другая — использовалось так называемое неупругое рассеяние частиц. Она заключалась в том, что образец бомбардировали быстрыми частицами. Это приводило электроны в возбужденное состояние и одновременно давало исследователям возможность отмечать расположение и конфигурацию их спинов.

Измерив же спины и орбитальные угловые моменты (они характеризует движение частиц по орбитали вокруг ядра) электронов, исследователи поняли, что орбитон и спинон существуют одновременно. Дело в том, что изменение спина и орбитального углового момента не совпадали — а это значит, что спинон и орбитон передвигаются внутри материала с разной скоростью. То есть как отдельные квазичастицы.

…Итак, существование орбитона наконец-то экспериментально подтверждено, из-за этого электрон окончательно лишился звания элементарной частицы. Однако эксперименты ученых сводились не только к исправлению терминологии; например, орбитон и сам по себе представляет немалую ценность. Его существование поможет объяснить некоторые аномалии высокотемпературных сверхпроводников — почему в них возникает сверхпроводимость в таких условиях, в каких вроде бы не должна возникать.