2014-04-11

Частинки-винятки

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Вчені експериментально підтвердили існування частинок, які не підкоряються стандартними правилами квантової статистики.

У 1982 році американський фізик-теоретик і майбутній нобелівський лауреат Френк Вілчек передбачив існування екзотичних квантово-механічних об'єктів - частинок, які не підкоряються правилам квантової статистики. Він назвав їх «еніонами» (anyons, від англ. «Any» - будь-який, і закінчення елементарних частинок «on» - proton, electron. Не плутати з аніонами - позитивними іонами).

У системі однакових частинок кожна частинка знаходиться в якомусь з дозволених квантових станів. Кількість частинок, що одночасно перебувають в одному і тому ж стані, називається числом його заповнення.

У 1920-х фізики прийшли до висновку, що мікрочастинки підрозділяються на два непересічних класи. Числа заповнення частинок однієї групи можуть приймати будь-які цілочисельні значення: 0 (стан пусто), 1, 2, 3 і так далі до нескінченності (конкретні числа заповнення залежать від властивостей системи, проте сама квантова статистика їх не обмежує). Частинки іншого типу в колективі ведуть себе зовсім інакше, їх числа заповнення - або нуль, або одиниця: у кожному дозволеному стані може бути не більше однієї такої частинки. Частинки першого класу називаються бозонами (на честь індійського фізика Бозе), а другого - ферміонами (на честь Енріко Фермі). У 1940 році Паулі математично довів, що частинки з цілим спіном є бозонами, а з напівцілим - ферміонами.

Довгий час вважали (і доводили математично), що ніяких інших частинок, крім бозонів і ферміонів, не існує. Цей висновок поширювався і на квазічастинки - збуджені стани багаточастинкових систем, які у ряді відношень виявляють себе як «справжні» частинки (наприклад, електрони провідності та дірки в напівпровідниках).

Ці аргументи довгий час вважалися незаперечним, однак 30 років тому норвезькі фізики Джон Льенаас і Ян Мархайм показали, що вони строго обґрунтовані лише в тривимірному просторі і більше. А от для частинок і квазічастинок, замкнутих в двовимірному просторі, ця логіка не проходить. Через кілька років Вілчек та інші фізики прийшли до аналогічного висновку, в результаті чого і з'явилася гіпотеза про еніони, яка стверджує, що двовимірний рух приводить до появи квазічастинок з числами заповнення, які не обмежуються нулем і одиницею, як у ферміонів, але все ж не можуть мати будь-яку величину, як у бозонів. Хоча еніони і здатні уживатися в своїх квантових квартирах-станах, кількість сусідів все-таки підпорядковується досить жорстким правилам.

Звичайно, ми живемо в тривимірному світі. Проте візьмемо звичайнісігький графіт - матеріал з шаруватою структурою. Через цю шаруватість електрони провідності всередині графіту воліють переміщатися уздовж окремих площин - просторів з двома вимірами. Двовимірний рух електронів легко здійснити і на кордоні між напівпровідником і діелектриком, що і відбувається в транзисторі польового типу. Загалом, воно цілком реальне.

Френк Вілчек висунув свою ідею в надзвичайно слушний час. Саме на початку 1980-х було відкрито напрочуд гарне явище - квантовий ефект Холла. Цей феномен має місце при наднизьких температурах у разі двовимірного руху електронів в поперечному магнітному полі. Якщо магнітне поле дуже сильне (понад 10 Тесла), електронний газ набуває властивостей практично нестисливої рідини. Експеримент показав, що в цієї рідини виникають квантовані вихрові збудження, які є квазічастинкою з дробовим електричним зарядом (нагадаємо, що елементарна одиниця заряду - це заряд електрона). Теоретики давно припускали, що такі псевдовихрі мають властивості еніонів, проте це не було експериментально доведено.

Тепер же Володимир Голдман і його колеги з університету штату Нью-Йорк в Стоні Брук отримали таке підтвердження. За допомогою електричних полів вони сформували на поверхні поміщеного в магнітне поле напівпровідника тонкий диск, оточений кільцем. Усередині диска народжуються квазічастинки із зарядом, рівним одній п'ятій заряду електрона, а в кільці - одній третині. Експериментатори визначали зміни провідності цієї системи при змінах величини магнітного поля. Аналіз отриманих даних підтвердив, що квазічастинки в кільці і усередині диска можуть стабільно народжуватися і зникати лише групами певної чисельності. Це як раз означає, що вони підкоряються статистиці еніонного типу.

Чи можна передбачити практичні програми для еніонів? Говорить професор Голдман: «Одне практичне застосування еніонів розглядається на рівні гіпотези. Кілька років тому професор Каліфорнійського технологічного інституту Олексій Китаїв запропонував використовувати еніони у квантових комп'ютерах, робота яких заснована на топологічних властивості хвильової функції. Теорія стверджує, що такі комп'ютери будуть відрізнятися надійністю в роботі, будуть практично застраховані від невеликих помилок. Моя група зараз якраз і працює над цим проектом».

За матеріалами popmech.ru.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus