Электрон отныне не элементарная частица

Недавно физики лишили электрон заслуженного звания элементарной частицы. Дело в том, что уже давно ученые предполагали, что в особых ситуациях электрон может распадаться на три составляющих — холон, спинон и орбитон. Возможность раздельного существования холона и спинона была доказана шесть лет назад. А нынче ученым удалось "отделить" орбитон.

Фото:  

Еще в позапрошлом веке многие ученые испытали шок — атом, который прежде представлялся единым и неделимым (собственно, говоря, само слово "атом" переводится с греческого как "неделимый"), вдруг оказался составным, то есть состоящим из более мелких частиц. Их ученые на всякий случай назвали элементарными — такое название подразумевало, что они-то уж точно неделимы. Однако счастье длилось, увы, недолго — в ХХ веке большинство обнаруженных прежде частиц стали терять гордое звание "элементарные".

Началось все с протона и нейтрона — частиц, что составляют атомное ядро. Было доказано, что они состоят из более мелких частиц, которые называются кварки. Получается, что раз они составные, то значит все же не элементарные. А вот электрону повезло больше — он носил это гордое имя дольше, чем любая атомная частица. Но, в конце концов, и он был вынужден покинуть ряды элементарных частиц.

Дело в том, что еще примерно полвека назад физики предсказали возможность разделения электрона на три квазичастицы (о том, что это такое, читайте в статье "Мы будем общаться, как герои "Звездных войн") — холон, спинон и орбитон. Причем первая из них будет переносить заряд электрона, другая — его спин (момент импульса), а третья вообще является квантом орбитальной волны электрона, то есть переносит его орбитальное взаимодействие с другими электронами и ядром. Правда, проявляются эти три квазичастицы не всегда, когда электрон того пожелает, а лишь в особых условиях. Например, в пределах одномерных цепочек атомов, стоящих очень близко друг к другу (такое часто бывает в углеродных нанотрубках).

 

Сразу хочу заметить, что электрон вовсе не распадается на эти частицы так, как протон или нейтрон на кварки. То есть даже в нанотрубках не происходит такого, что при взаимодействии с близко расположенными электронами других атомов, какой-то конкретный электрон (для удобства представим его как шарик) вдруг развалился на три более мелких шарика. Причем один из них сохранил заряд электрона, другой вертится вокруг своей оси так же, как электрон (сохранил спин), а третий движется по той же орбите, что и электрон (сохранил орбитальные взаимодействия).

На самом деле электрон, конечно же, ни на какие частицы не разваливается. Просто при сближении друг с другом в пределах одномерной цепочки электроны соседних атомов начинают взаимодействовать друг с другом особым образом. И это взаимодействие можно описать не исходя из свойств самих электронов, а представив себе, что их осуществляют три гипотетические частицы — те самые холон, спинон и орбитон. В частности, уже давно было экспериментально показано, что в таких взаимодействиях изменения заряда не связаны с изменением спина.

Но как такое возможно? Представьте себе, что атомы стоят настолько 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, то по цепочке побежит спиновое возмущение. И оно вовсе не будет сопровождаться переносом заряда. В данном случае мы имеем дело с другой квазичастицей — спиноном.

То, о чем мы сейчас беседовали, представляет собой мысленный эксперимент, проведенный физиками еще в 90-х годах прошлого века. А вот добиться возникновения спинона и холона в реальности 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 сообщила об обнаружении четких спектральных сигналов спинонов и холонов в одномерных образцах SrCuO2. Следует заметить, что это вещество весьма своеобразно — по своим свойствам оно скорее металл, но при этом данный материал не проводит электричество из-за постоянного электрон-электронного взаимодействия. Так что разделить спинон и холон решили именно там.

Используемая физиками методика фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением ARPES состояла в том, что образец облучался рентгеновскими лучами, вызывающими эмиссию электронов (что также известно как фотоэффект). Измерение кинетической энергии испускаемых электронов и углов, под которыми они вылетают, позволяет вычислить их скорость и степень рассеяния. Это в свою очередь дает детальную картину энергетического спектра электрона.

А поскольку известно, что удаление электрона приводит к образованию положительно заряженной "дырки", которая несет информацию как о спине, так и о заряде, то следует фиксировать именно ее образование. Это самое образование "дырки" проявляется в виде одного пика спектра ARPES. Если происходит разделение заряда и спина, "дырка" распадается на спинон и холон, и в спектре ARPES появляются два пика. Именно эти два пика и зафиксировали ученые. Таким образом возможность независимого существования спинона и холона была доказана.

Недавно же другая группа физиков из Германии, Швейцарии, Франции и Нидерландов под руководством госпожи Джастин Шлаппа смогла "отделить" орбитон. "Подопытным кроликом" выступил все тот же SrCuO2. А вот методика была уже другая — так называемое неупругое рассеяние частиц (RIXS). Она заключалась в том, что образец бомбардировали быстрыми частицами. Это приводило электроны в возбужденное состояние и одновременно исследователи могли отмечать расположение и конфигурацию их спинов.

Измерив же спины и орбитальные угловые моменты (он характеризует движение частицы 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 вдоль Sr2CuO3 с разной скоростью. То есть это отдельные квазичастицы.

Итак, существование орбитона наконец-то экспериментально подтверждено, и из-за этого электрон окончательно лишился почетного звания элементарной частицы. Однако эксперимент ученых сводился вовсе не к исправлению терминологии — орбитон и сам по себе представляет немалую ценность. Например, его существование может объяснить некоторые аномалии высокотемпературных сверхпроводников — почему в них возникает сверхпроводимость в таких условиях, в каких вроде бы не должна возникать.

Кроме того, движение орбитонов и спинонов можно будет использовать при создании квантовых компьютеров — эти квазичастицы двигаются настолько быстро, что их перемещение от одной квантовой точки к другой занимает фемтосекунды. А значит, перенос информации будет почти что мгновенный…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"