|
|
 |
| КВАНТОВОЕ БЕЗЗАКОНИЕ. ИСКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ |
27-02-2007 |
На рис. 1. Четыре электрода на поверхности полупроводника создают центральный диск с квазичастицами зарядом в 1/5 заряда электрона [на рисунке — красные шарики]. Диск окружен кольцом частиц с зарядом в 1/3 заряда электрона [синие шарики]. Измерения показывают, что частицы появляются и исчезают лишь группами определенной численности и таким образом не являются ни бозонами, ни фермионами.
Ученые экспериментально подтвердили существование частиц, не подчиняющихся стандартным правилам квантовой статистики.
В 1982 году американский физик-теоретик и будущий нобелевский лауреат Фрэнк Вилчек предсказал существование экзотических квантово-механических объектов – частиц, не подчиняющихся правилам квантовой статистики. Он назвал их "энионами" (anyons, от англ. "any" – любой, и окончания элементарных частиц "on" – proton, electron. Не путать с анионами – положительными ионами).
Фермионы и бозоны
В системе одинаковых частиц каждая частица находится в каком-то из разрешенных квантовых состояний. Количество частиц, одновременно пребывающих в одном и том же состоянии, называется числом его заполнения.
В 1920-х физики пришли к выводу, что микрочастицы подразделяются на два непересекающихся класса. Числа заполнения частиц одной группы могут принимать любые целочисленные значения: 0 (состояние пусто), 1, 2, 3 и так далее до бесконечности (конкретные числа заполнения зависят от свойств системы, однако сама квантовая статистика их не ограничивает). Частицы другого типа в коллективе ведут себя совершенно иначе, их числа заполнения – или нуль, или единица: в каждом разрешенном состоянии может сидеть не больше одной такой частицы. Частицы первого класса называются бозонами (в честь индийского физика Бозе), а второго – фермионами (в честь Энрико Ферми). В 1940 году Паули математически доказал, что частицы с целым спином являются бозонами, а с полуцелым – фермионами.
Исключение из правил
Долгое время считали (и доказывали математически), что никаких других частиц, кроме бозонов и фермионов, не существует. Этот вывод распространялся и на квазичастицы – возбужденные состояния многочастичных систем, в ряде отношений проявляющих себя как "настоящие" частицы (к примеру, электроны проводимости и дырки в полупроводниках).
Эти аргументы долго время считались непререкаемыми, однако 30 лет назад норвежские физики Джон Льенаас и Ян Мархайм показали, что они строго обоснованы лишь в трехмерном и более пространстве. А вот для частиц и квазичастиц, замкнутых в двумерном пространстве, эта логика не проходит. Через несколько лет Вилчек и другие физики пришли к аналогичному выводу, в результате чего и появилась гипотеза об энионах, утверждающая, что двумерное движение приводит к появлению квазичастиц с числами заполнения, которые не ограничиваются нулем и единицей, как у фермионов, но все же не могут иметь любую величину, как у бозонов. Хотя энионы и способны уживаться в своих квантовых квартирах-состояниях, количество соседей все-таки подчиняется довольно жестким правилам.
Конечно, мы живем в трехмерном мире. Однако возьмем самый обычный графит – материал со слоистой структурой. Из-за этой слоистости электроны проводимости внутри графита предпочитают перемещаться вдоль отдельных плоскостей – пространств с двумя измерениями. Двумерное движение электронов легко осуществить и на границе между полупроводником и диэлектриком, что и происходит в транзисторе полевого типа. В общем, оно вполне реально.
Экспериментальное подтверждение
Фрэнк Вилчек выдвинул свою идею в чрезвычайно подходящее время. Именно в начале 1980-х было открыто удивительно красивое явление – квантовый эффект Холла. Этот феномен имеет место при сверхнизкой температуре в случае двумерного движения электронов в поперечном магнитном поле. Если магнитное поле очень сильно (более 10 Тесла), электронный газ приобретает свойства практически несжимаемой жидкости. Эксперимент показал, что в этой жидкости возникают квантованные вихревые возбуждения, которые являются квазичастицами с дробным электрическим зарядом (напомним, что элементарная единица заряда – это заряд электрона). Теоретики давно предполагали, что такие псевдовихри обладают свойствами энионов, однако это не было экспериментально доказано.
Рис.2. Проверено на опыте. Энионы были предсказаны в 1982 году, но только сейчас профессор Голдман подтвердил их наличие экспериментально
Теперь же Владимир Голдман и его коллеги из университета штата Нью-Йорк в Стони Брук получили такое подтверждение. С помощью электрических полей они сформировали на поверхности помещенного в магнитное поле полупроводника тонкий диск, окруженный кольцом. Внутри диска рождаются квазичастицы с зарядом, равным одной пятой заряда электрона (красные шарики на картинке), а в кольце – одной трети (синий шарик). Экспериментаторы определяли изменения проводимости этой системы при изменениях величины магнитного поля. Анализ полученных данных подтвердил, что квазичастицы в кольце и внутри диска могут стабильно рождаться и исчезать лишь группами определенной численности. Это как раз означает, что они подчиняются статистике энионного типа.
Рис. 3. Измерение дробного заряда. Дробный заряд можно измерить с помощью специального прибора — электрометра на основе квантовой антиточки. Пики туннельной проводимости при изменении приложенного напряжения свидетельствуют о рождении или смерти частиц
Можно ли предвидеть практические приложения для энионов? Вот что рассказал профессор Голдман: "Одно практическое применение энионов рассматривается на уровне гипотезы. Несколько лет назад профессор Калифорнийского технологического института Алексей Китаев предложил использовать энионы в квантовых компьютерах, работа которых основана на топологических свойствах волновой функции. Теория утверждает, что такие компьютеры будут отличаться надежностью в работе, будут практически застрахованы от небольших ошибок. Моя группа сейчас как раз и работает над этим проектом".
www.inauka.ru |
ВЕТРЕНОЕ СВЕТИЛО ТАИТ НЕМАЛО ЗАГАДОК 21-09-2007 Физика
10 октября 1946 года с американского военного полигона Уайт-Сэндз в штате Нью-Мексико была запущена трофейная ракета "Фау-2". Ракета не несла боеголовки, зато была оснащена спектрографом, с помощью которого были впервые сделаны снимки нашего светила в ультрафиолетовой спектральной области 290–230 нм, волны которой поглощаются в нижних слоях атмосферы и не достигают поверхности Земли. Именно эту дату можно считать днем ро...
КАРТА ВСЕЛЕННОЙ 21-09-2007 Физика
Как устроена Вселенная. КартаМы продолжаем серию публикаций "Вселенная: материя, пространство, время" об устройстве окружающего мира, начатую в июльском номере. Теперь речь пойдет ни много ни мало, а о том, как можно попытаться изобразить всю Вселенную на нескольких листах бумаги и что получится в результате такой попытки.Такая она, Вселенная, все дороги которой ведут в никуда.
Пол АндерсонСтруктура Вселенной в чем-то с...
|
|
|
