Фізики позбавили електрон заслуженого звання елементарної частинки

Нещодавно фізики позбавили електрон заслуженого звання елементарної частинки. Справа в тому, що вже давно вчені припускали, що в особливих ситуаціях електрон може розпадатися на три складових - холон, спиноне і орбітон. Можливість роздільного існування Холона і спиноне була доведена шість років тому. А нині вченим вдалося "відокремити" орбітон.

Фізики позбавили електрон заслуженого звання елементарної частинки

Ще в позаминулому столітті багато вчених були шоковані - атом, який перш за представлявся єдиним і неподільним (власне, кажучи, саме слово "атом" перекладається з грецької як "неподільний"), раптом виявився складеним, тобто складається з більш дрібних частинок. Їх вчені про всяк випадок назвали елементарними - таку назву мало на увазі, що вони-то вже точно неподільні. Однак щастя тривало, на жаль, недовго - в ХХ столітті більшість виявлених раніше частинок стали втрачати горде звання "елементарні".

Почалося все з протона і нейтрона - частинок, що складають атомне ядро. Було доведено, що вони складаються з більш дрібних частинок, які називаються кварки. Виходить, що раз вони складові, то значить все-таки не елементарні. А ось електрону пощастило більше - він носив це горде ім'я довше, ніж будь-яка атомна частка. Але, врешті-решт, і він був змушений покинути ряди елементарних частинок.

Фізики позбавили електрон заслуженого звання елементарної частинки

Відразу хочу зауважити, що електрон зовсім не розпадається на ці частинки так, як протон або нейтрон на кварки. Тобто навіть в нанотрубках не відбувається такого, що при взаємодії з близько розташованими електронами інших атомів, якийсь конкретний електрон (для зручності подамо його як кулька) раптом розвалився на три дрібніших кульки. Причому один з них зберіг заряд електрона, інший крутиться навколо своєї осі так само, як електрон (зберіг спин), а третій рухається по тій самій орбіті, що і електрон (зберіг орбітальні взаємодії).

Читайте також: Матерію ввели в новий стан

Насправді електрон, звичайно ж, ні на які частки не розвалюється. Просто при зближенні один з одним в межах одновимірної ланцюжка електрони сусідніх атомів починають взаємодіяти один з одним особливим чином. І це взаємодія можна описати НЕ виходячи з властивостей самих електронів, а уявивши собі, що їх здійснюють три гіпотетичні частинки - ті самі холон, спиноне і орбітон. Зокрема, вже давно було експериментально показано, що в таких взаємодіях зміни заряду не пов'язані зі зміною спина.

Але як таке можливо? Уявіть собі, що атоми стоять настільки щільно, що електрони утворили так званий вігнерівський кристал - тобто компактну впорядковану структуру на зразок кристалічної решітки. При цьому в вузлах даної решітки виникнуть колективні коливання електронів (як це відбувається з вузловими частинками будь-якого кристала). Але дані коливання обов'язково будуть супроводжуватися переносом заряду. В цьому випадку можна говорити про виникнення квазічастинки Холона.

Фізики позбавили електрон заслуженого звання елементарної частинки

У той же час електрони в ланцюжку володіють спіном, і, відповідно, між ними існує якийсь спин-спінова взаємодія. А оскільки всі електрони стоять впритул один до одного, логічно припустити, що якщо ми перевернемо один з спинив, то по ланцюжку побіжить спіновий обурення. І воно зовсім не буде супроводжуватися переносом заряду. В даному випадку ми маємо справу з іншою квазічастинкою - спиноне.

Використовувана фізиками методика Фотоемісійні спектроскопії з кутовим дозволом ARPES полягала в тому, що зразок опромінювався рентгенівськими променями, що викликають емісію електронів (що також відомо як фотоефект). Вимірювання кінетичної енергії випускаються електронів і кутів, під якими вони вилітають, дозволяє обчислити їх швидкість і ступінь розсіювання. Це в свою чергу дає детальну картину енергетичного спектра електрона.

А оскільки відомо, що видалення електрона приводить до утворення позитивно зарядженої "дірки", яка несе інформацію як про спині, так і про заряд, то слід фіксувати саме її утворення. Це саме освіту "дірки" проявляється у вигляді одного піку спектра ARPES. Якщо відбувається поділ заряду і спина, "дірка" розпадається на спиноне і холон, і в спектрі ARPES з'являються два піки. Саме ці два піки і зафіксували вчені. Таким чином можливість незалежного існування спиноне і Холона була доведена.

Нещодавно ж інша група фізиків з Німеччини, Швейцарії, Франції та Нідерландів під керівництвом пані Джастін Шлаппа змогла "відокремити" орбітон. "Піддослідним кроликом" виступив все той же SrCuO2. А ось методика була вже інша - так зване неупругое розсіювання частинок (RIXS). Вона полягала в тому, що зразок бомбардували швидкими частинками. Це призводило електрони в збуджений стан і одночасно дослідники могли відзначати розташування і конфігурацію їх спинив.

Вимірявши ж спини і орбітальні кутові моменти (він характеризує рух частинки по орбіталі навколо ядра) електронів, дослідники зрозуміли, що орбітон і спиноне існують одночасно. Справа в тому, що зміна спина і орбітального кутового моменту не збігалися - а це означає, що спиноне і орбітон пересуваються уздовж Sr2CuO3 з різною швидкістю. Тобто це окремі квазічастинки.

Читайте також: Ліліпути і велетні комп'ютерного світу

Отже, існування орбітон нарешті експериментально підтверджено, і через це електрон остаточно позбувся почесного звання елементарної частинки. Однак експеримент вчених зводився зовсім не до виправлення термінології - орбітон і сам по собі становить неабияку цінність. Наприклад, його існування може пояснити деякі аномалії високотемпературних надпровідників - чому в них виникає надпровідність в таких умовах, в яких начебто не повинна виникати.

Крім того, рух орбітон і спиноне можна буде використовувати при створенні квантових комп'ютерів - ці квазічастинки рухаються настільки швидко, що їх переміщення від однієї квантової точки до іншої займає фемтосекунди. А значить, перенесення інформації буде майже миттєвий ...

Читайте найцікавіше в рубриці "Наука і техніка"

Матеріали сайту призначені для осіб старше 18 років (18 +).

Екстремістські і терористичні організації, заборонені в Російській Федерації: «Правий сектор», «Українська повстанська армія» (УПА), «ІГІЛ» (ІГ, Ісламська Держава), «Джабхат Фатх аш-Шам» (колишня «Джабхат ан-Нусра», «Джебхат ан-Нусра»), Націонал-більшовицька партія, «Аль-Каїда», «УНА-УНСО», «НСО», «РНЕ», «Талібан», «Меджліс кримсько-татарського народу», «Свідки Єгови». Повний перелік організацій, щодо яких судом ухвалено вступило в законну силу рішення про ліквідацію або заборону діяльності, знаходиться на сайті Мін'юсту РФ

Схожі статті