Как «расщепляются» электроны

Электроны могут рассматриваться как маленькие магниты, которые также несут отрицательный электрический заряд. На фундаментальном уровне эти два свойства являются неделимыми. Тем не менее, в некоторых материалах, где электроны ограничены квазиодномерным миром, они, по-видимому, разделены на магнит и электрический заряд, которые могут перемещаться свободно и независимо друг от друга. Многолетний вопрос заключался в том, может ли подобное явление произойти более чем в одном измерении. Команда во главе с учеными из EPFL сейчас получила новые доказательства того, что это может произойти в квазидвумерных магнитных материалах. Их работа опубликована в Nature Physics.

Странное явление происходит с электронами в материалах, которые настолько тонкие, что они могут рассматриваться как одномерные, например, нанопроволоки. При определенных условиях электроны в этих материалах могут фактически разделиться на электрический заряд и магнит, которые называют "дробными частицами". Важным, но еще нерешенным в фундаментальной физике частиц является вопрос, может ли это явление возникать и наблюдаться в нескольких измерениях, например, в двух- или трехмерных системах.

Хенрик Ренноу (Henrik М. Rønnow) и Бастьен Далла Пьяцца (Bastien Dalla Piazza) из EPFL и Мартин Муригал (Martin Mourigal) (недавно назначен ассистентом профессора в Georgia Tech) в настоящее время проводят исследование, которое обеспечивает как экспериментальные, так и теоретические доказательства того, что это экзотическое расщепление электронов на дробные частицы на самом деле имеет место в двух измерениях. Ученые объединили современную технологию рассеяния поляризованных нейтронов с новой теоретической базой и провели эксперименты с материалом, который обычно является электрическим изолятором. Их данные показали, что магнитный момент электрона и заряд можно разделить на две части, которые будут двигаться почти независимо друг от друга в материале.

Существование дробных частиц более чем в одном измерении было предположено лауреатом Нобелевской премии Филипом Андерсоном (P W Anderson) в 1987 году при разработке теории, которая могла бы объяснить высокотемпературную сверхпроводимость: способность некоторых материалов проводить электричество с нулевым сопротивлением при очень низких, но технологически возможных температура. Это явление остается одним из самых загадочных и интенсивно исследуется в наиболее перспективных высокотемпературных сверхпроводниках, содержащих медь, – купратах.

При температурах, близких к абсолютному нулю, электроны связываются вместе, чтобы сформировать экзотический жидкость, которая может протекать с без трения. В то время как это явление в других материалах ранее наблюдалось при температуре вблизи абсолютного нуля, такая электронная жидкость может образовываться в купратах при значительно более высоких температурах, которые могут быть достигнуты с использованием только жидкого азота. Следовательно, в настоящее время прилагаются усилия, чтобы найти новые материалы, показывающие высокотемпературную сверхпроводимость при комнатной температуре. Но понимание того, как она возникает, на фундаментальном уровне оказалось сложным, что ограничивает разработку материалов, которые могут быть использованы в приложениях. Достижения, сделанные учеными из EPFL, обеспечат теперь поддержку для теории сверхпроводимости, как постулировал Андерсон.

«Эта работа знаменует собой новый уровень понимания одной из самых фундаментальных моделей в физике, - говорит Хенрик Ренноу. - Это также обеспечивает новую поддержку для теории Андерсона высокотемпературной сверхпроводимости, которая, несмотря на двадцать пять лет интенсивных исследований, остается одной из самых больших тайн в открытии современных материалов».

Иллюстрация дробления в квадратной решетке антиферромагнетика