Фракционирование - Fractionalization

В квантовой механике , фракционирование это явление , при котором квазичастицы из системы не может быть выполнен в виде комбинаций его элементарных составляющих. Одним из самых ранних и наиболее ярких примеров является дробный квантовый эффект Холла , когда составляющие частицы являются электронами, но квазичастицы несут доли заряда электрона . Фракционирование можно понимать как деконфайнмент квазичастиц, которые вместе рассматриваются как составляющие элементарные составляющие. В случае разделения спина и заряда , например, электрон можно рассматривать как связанное состояние « спинона » и « чаргона », которые при определенных условиях могут свободно перемещаться по отдельности.

История

В 1980 году была открыта квантованная холловская проводимость, связанная с зарядом электрона. Лафлин предложил жидкость с дробными зарядами в 1983 году для объяснения дробного квантового эффекта Холла, наблюдавшегося в 1982 году, за что он получил Нобелевскую премию по физике 1998 года. В 1997 году эксперименты непосредственно наблюдали электрический ток, равный одной трети заряда. Пятая часть заряда была замечена в 1999 году, и с тех пор были обнаружены различные нечетные фракции.

Позже было показано, что неупорядоченные магнитные материалы образуют интересные спиновые фазы. Спиновое фракционирование наблюдалось в спиновых льдах в 2009 г. и спиновых жидкостях в 2012 г.

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

Физика

Эффекты многих тел в сложных конденсированных материалах приводят к появлению свойств, 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. Наблюдалась разная квантовая статистика; При обмене волновые функции Anyons получают непрерывную фазу:

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

Было реализовано, что многие изоляторы имеют проводящую поверхность из двумерных квантовых состояний электронного газа.

Системы

Солитоны в 1D, такие как полиацетилен , приводят к половинным зарядам. Разделение спиновых зарядов на спиноны и холоны обнаружено в электронах в 1D SrCuO ₂ . Исследованы квантовые нити с фракционным фазовым поведением.

Спиновые жидкости с дробными спиновыми возбуждениями встречаются в фрустрированных магнитных кристаллах, таких как ZnCu ₃ (OH) ₆ Cl ₂ ( гербертсмитит ), и в α-RuCl ₃ . Спиновый лед в Dy ₂ Ti ₂ O ₇ и Ho ₂ Ti ₂ O ₇ обладает дробной спиновой свободой, что приводит к деконфайндингу магнитных монополей. Их следует противопоставлять квазичастицам, таким как магноны и куперовские пары , квантовые числа которых представляют собой комбинации составляющих. Наиболее известными могут быть квантовые системы Холла, возникающие в сильных магнитных полях в материалах 2D электронного газа, таких как гетероструктуры GaAs. Электроны в сочетании с вихрями магнитного потока переносят ток. Графен демонстрирует фракционирование заряда.

Были предприняты попытки распространить дробное поведение на 3D-системы. Поверхностные состояния в топологических изоляторах из различных соединений (например, сплавов теллура , сурьмы ) и кристаллов чистого металла ( висмута ) были исследованы на предмет признаков фракционирования.

Примечания