Фракционализация

В квантовой механике фракционализация — это явление, при котором квазичастицы системы не могут быть построены как комбинации ее элементарных составляющих. Одним из самых ранних и наиболее ярких примеров является дробный квантовый эффект Холла , когда составляющими частицами являются электроны , а квазичастицы несут часть электронного заряда . Фракционализацию можно понимать как освобождение от ограничений квазичастиц, которые вместе рассматриваются как составляющие элементарные составляющие. Например, в случае разделения спина и заряда электрон можно рассматривать как связанное состояние «спинона » и « холона (или чаргона )», которые при определенных условиях могут стать свободными и двигаться по отдельности.

История

Квантованная холловская проводимость была открыта в 1980 году и связана с зарядом электрона. Лафлин предложил жидкость с дробными зарядами в 1983 году, чтобы объяснить дробный квантовый эффект Холла (ДКЭХ), наблюдавшийся в 1982 году, за что он разделил Нобелевскую премию по физике 1998 года. В 1997 году в ходе экспериментов непосредственно наблюдался электрический ток с зарядом в одну треть. Заряд в одну пятую был замечен в 1999 году, и с тех пор были обнаружены различные нечетные фракции.

Позже было показано, что неупорядоченные магнитные материалы образуют интересные спиновые фазы. Спиновая фракционализация наблюдалась в спиновых льдах в 2009 году и в спиновых жидкостях в 2012 году.

Дробные заряды продолжают оставаться активной темой в физике конденсированного состояния. Исследования этих квантовых фаз влияют на понимание сверхпроводимости и изоляторов с поверхностным транспортом 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 нельзя считать комбинациями элементарных частиц. Были замечены различные квантовые статистики; Волновые функции анионов взамен приобретают непрерывную фазу:

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

Было обнаружено, что многие изоляторы имеют проводящую поверхность из двумерных состояний квантового электронного газа.

Системы

Солитоны в 1D, такие как полиацетилен , приводят к половинным зарядам. Разделение спинового заряда на спиноны и холоны обнаружено в электронах в 1D SrCuO ₂ . квантовые проволоки Были изучены с дробным 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 . Дробные возбуждения со спином 1/2 также наблюдались в квантово-спиновых цепочках со спином 1. Спиновый лед в Dy ₂ Ti ₂ O ₇ и Ho ₂ Ti ₂ O ₇ имеет дробную свободу спина, что приводит к деконфайнменту магнитных монополей. Их следует противопоставить квазичастицам, таким как магноны и куперовские пары , квантовые числа которых представляют собой комбинации составляющих. Наиболее знаменитыми могут быть квантовые системы Холла, возникающие в сильных магнитных полях в двумерных электронных газовых материалах, 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 различных соединений (например, сплавов теллура , сурьмы ) и чистого металла ( висмута ). кристаллов были исследованы на предмет сигнатур фракционирования.