Электрон не такой уж и элементарный: спектроскопическое открытие фракционирования заряда

Всем известно, что электрон — это элементарная частица, которая не может быть разделена на более мелкие составляющие. Однако физики обнаружили, что в некоторых материалах и при определенных условиях электроны могут вести себя так, будто они состоят из дробных зарядов. Это явление называется фракционированием заряда, и оно открывает новые горизонты для изучения квантовых свойств вещества и создания перспективных электронных устройств.

Что такое фракционирование заряда?

Фракционирование заряда — это эффект, при котором электроны в материале устраиваются таким образом, что кажется, что они разделяются на независимые квазичастицы, каждая из которых имеет долю от заряда электрона. Например, в некоторых двумерных системах, подвергнутых сильному магнитному полю, может возникать фракционный квантовый эффект Холла, при котором проводимость квантуется в дробных единицах заряда.

Фракционирование заряда не означает, что электрон реально распадается на части. Скорее, это означает, что электроны взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой так сильно, что их индивидуальность теряется, и они образуют коллективные состояния, которые можно описать как дробные заряды. Это свидетельствует о том, что электроны не всегда подчиняются обычным правилам квантовой механики, а могут проявлять необычные и экзотические свойства.

Как наблюдать фракционирование заряда?

Фракционирование заряда — это очень тонкий и редкий эффект, который требует специальных условий для его реализации и наблюдения. Одним из таких условий является наличие плоских зон в электронной структуре материала. Плоские зоны — это области, в которых электроны имеют одинаковую энергию и почти бесконечную эффективную массу. В этих зонах электроны сильно взаимодействуют друг с другом и могут формировать новые фазы вещества, такие как фракционные квантовые состояния Холла.

Однако плоские зоны сами по себе не достаточны для фракционирования заряда. Нужно еще, чтобы они взаимодействовали с дисперсионными зонами, в которых энергия электронов зависит от их импульса. Когда плоская и дисперсионная зоны пересекаются, они гибридизуются и образуют новую зону, в которой заряд распределяется между исходной дисперсионной зоной и новой зоной. Это приводит к тому, что каждая зона содержит только долю от заряда электрона.

Для наблюдения фракционирования заряда нужен специальный метод, который позволяет измерять электронную структуру материала с высоким разрешением и чувствительностью. Таким методом является лазерная углоразрешенная фотоэмиссионная спектроскопия (лазерная ARPES). Этот метод основан на том, что при освещении материала лазером из него испускаются электроны, чья энергия и импульс зависят от энергии и импульса электронов внутри материала. Измеряя спектр эмитированных электронов, можно получить информацию о зонной структуре материала и обнаружить фракционирование заряда.

Где найти фракционирование заряда?

Фракционирование заряда — это нечастое явление, которое было обнаружено только в нескольких материалах. Одним из них является Fe3Sn2, соединение из обычных металлов железа и олова, которое имеет особую кристаллическую структуру, называемую кагоме. Кагоме — это японский плетеный бамбуковый коврик, состоящий из угловых общих треугольников. Эта структура характеризует атомные слои в Fe3Sn2 и обуславливает наличие плоских зон в его электронной структуре.

Исследователи из Швейцарии и Китая смогли наблюдать фракционирование заряда в Fe3Sn2 с помощью лазерной ARPES. Они обнаружили, что в определенных кристаллических доменах этого материала существуют электронные карманы, где электроны ведут себя как квазичастицы. При более детальном изучении этих карманов они заметили, что дисперсионная зона взаимодействует с плоской зоной, образуя новую зону, в которой заряд фракционируется. Это было первое прямое спектроскопическое наблюдение фракционирования заряда в трехмерном ферромагнитном материале.

Зачем нужно фракционирование заряда?

Фракционирование заряда — это не только удивительное и загадочное явление, но и потенциально полезное для развития электроники. Ведь фракционные заряды могут быть использованы как новые носители информации и сигналов в квантовых устройствах, которые обещают превзойти классические устройства по скорости и эффективности. Кроме того, фракционирование заряда может быть связано с другими необычными свойствами материалов, такими как сверхпроводимость, топологический магнетизм или квантовая критичность. Эти свойства могут иметь важное значение для разработки новых технологий, таких как квантовые компьютеры, квантовые сенсоры или квантовые метаматериалы. Поэтому изучение фракционирования заряда может способствовать не только расширению нашего понимания квантовой физики, но и созданию инновационных приложений.

Какие перспективы открывает фракционирование заряда?

Фракционирование заряда — это одно из самых захватывающих и актуальных направлений в современной физике конденсированного состояния. Оно представляет собой уникальную возможность исследовать новые квантовые фазы вещества, которые могут иметь неожиданные и полезные свойства. Оно также позволяет изучать взаимодействие между различными степенями свободы, такими как заряд, спин, орбиталь или топология, и их влияние на квантовые переходы и фазовые переходы.

Фракционирование заряда может быть реализовано в различных материалах, имеющих специфическую структуру, симметрию или корреляции. Одним из примеров таких материалов является Fe3Sn2, который был изучен швейцарско-китайской группой. Этот материал имеет ряд преимуществ, таких как доступность, стабильность, ферромагнетизм и высокая температура фракционирования заряда. Он также может быть модифицирован путем допирования, подложки, давления или температуры, чтобы исследовать различные режимы фракционирования заряда и связанные с ним явления.

Фракционирование заряда может иметь большой потенциал для разработки новых электронных устройств, которые могут использовать дробные заряды как носители информации или сигналов. Такие устройства могут быть более быстрыми, эффективными и надежными, чем классические устройства, основанные на целых зарядах. Они также могут быть более устойчивыми к шумам, помехам и декогеренции, благодаря квантовой природе дробных зарядов. Кроме того, фракционирование заряда может быть использовано для реализации квантовых алгоритмов, квантовой криптографии или квантовой метрологии, которые могут решать задачи, недоступные для классических компьютеров.