Frakcjonalizacja

W mechanice kwantowej frakcjonowanie jest zjawiskiem, w wyniku którego kwazicząstki układu nie mogą być konstruowane jako kombinacje jego elementarnych składników . Jednym z najwcześniejszych i najbardziej znanych przykładów jest ułamkowy kwantowy efekt Halla , w którym cząstkami składowymi są elektrony , ale kwazicząstki przenoszą ułamki ładunku elektronowego . Frakcjonalizację można rozumieć jako uwolnienie kwazicząstek, które razem są postrzegane jako zawierające elementarne składniki. Na przykład w przypadku separacji spinu i ładunku elektron można postrzegać jako stan związany „ spinonu ” i „ ładunku ”, które w pewnych warunkach mogą swobodnie poruszać się oddzielnie.

Historia

Kwantowane przewodnictwo Halla zostało odkryte w 1980 roku, związane z ładunkiem elektronu. Laughlin zaproponował płyn ułamkowych ładunków w 1983 r., Aby wyjaśnić ułamkowy kwantowy efekt Halla obserwowany w 1982 r., Za który otrzymał w 1998 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W 1997 roku eksperymenty bezpośrednio obserwowały prąd elektryczny o ładunku jednej trzeciej. Jedna piąta ładunku została zaobserwowana w 1999 roku i od tego czasu wykryto różne nieparzyste frakcje.

Później wykazano, że nieuporządkowane materiały magnetyczne tworzą interesujące fazy spinowe. Frakcjonalizację wirowania zaobserwowano w lodach wirujących w 2009 roku i płynach wirujących w 2012 roku.

Ładunki ułamkowe nadal są aktywnym tematem w fizyce materii skondensowanej. Badania tych faz kwantowych wpływają na zrozumienie nadprzewodnictwa i izolatorów z transportem powierzchniowym dla topologicznych komputerów kwantowych .

Fizyka

Efekty wielociałowe w skomplikowanych skondensowanych materiałach prowadzą do wyłaniających się właściwości, które można opisać jako kwazicząstki istniejące w substancji. Zachowanie elektronów w ciałach stałych można rozpatrywać jako magnony quasi-cząsteczkowe, ekscytony, dziury i ładunki o różnej masie efektywnej. Spinonów, ładunków i anyonów nie można uważać za kombinacje cząstek elementarnych. Zaobserwowano różne statystyki kwantowe; W zamian funkcje falowe Anyons zyskują fazę ciągłą:

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

Stwierdzono, że wiele izolatorów ma powierzchnię przewodzącą dwuwymiarowych kwantowych stanów gazowych elektronów.

Systemy

Solitony w 1D, takie jak poliacetylen , prowadzą do połowy ładunków. Rozdzielenie ładunku spinowego na spinony i holony wykryto w elektronach w 1D SrCuO ₂ . Zbadano druty kwantowe o ułamkowym zachowaniu fazowym.

Ciecze spinowe z ułamkowym wzbudzeniem spinowym występują w sfrustrowanych kryształach magnetycznych, takich jak ZnCu ₃ (OH) ₆ Cl ₂ ( herbertsmithit ) oraz w α-RuCl ₃ . Ułamkowe wzbudzenia o spinie 1/2 zaobserwowano również w kwantowych łańcuchach spinowych o spinie 1. Lód wirujący w Dy ₂ Ti ₂ O ₇ i Ho ₂ Ti ₂ O ₇ ma ułamkową swobodę wirowania, co prowadzi do uwolnienia monopoli magnetycznych. Należy je przeciwstawić kwazicząstkom, takim jak magnony i pary Coopera , które mają liczby kwantowe będące kombinacją składników. Najbardziej znane mogą być kwantowe układy Halla, występujące przy wysokich polach magnetycznych w dwuwymiarowych gazowych materiałach elektronowych, takich jak heterostruktury GaAs. Elektrony połączone z wirami strumienia magnetycznego przenoszą prąd. Grafen wykazuje frakcjonowanie ładunku.

Podjęto próby rozszerzenia zachowania ułamkowego na systemy 3D. Zbadano stany powierzchniowe w izolatorach topologicznych różnych związków (np. stopów telluru , antymonu ) i kryształów czystego metalu ( bizmutu ) pod kątem sygnatur frakcjonowania.