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. 
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.
Справа в тому, що ще приблизно півстоліття тому фізики передбачили можливість поділу електрона на три квазічастинки (про те, що це таке, читайте в статті " Ми будемо спілкуватися, як герої "Зоряних воєн" ") - холон, спиноне і орбітон. Причому перша з них буде переносити заряд електрона, інша - його спін (момент імпульсу), а третя взагалі є квантом орбітальної хвилі електрона, тобто переносить його орбітальна взаємодія з іншими електронами і ядром. Правда, проявляються ці три квазічастинки не завжди, коли електрон того забажає, а лише в особливих умовах. Наприклад, в межах одновимірних ланцюжків атомів, що стоять дуже близько один до одного (таке часто буває в вуглецевих нанотрубках).
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.
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.
Те, про що ми зараз розмовляли, являє собою уявний експеримент, проведений фізиками ще в 90-х роках минулого століття. А ось добитися виникнення спиноне і Холона в реальності вдалося не так давно - в 2006 році. Тоді група вчених на чолі з Кім Чанюном з університету Енсей в Сеулі (Республіка Корея), Елі Ротенберг і Шень Чжи Сюнем зі Стенфордського університету повідомила про виявлення чітких спектральних сигналів спиноне і Холонів в одновимірних зразках SrCuO2. Слід зауважити, що ця речовина дуже своєрідно - за своїми властивостями воно швидше метал, але при цьому даний матеріал не проводить електрику через постійне електрон-електронної взаємодії. Так що розділити спиноне і холон вирішили саме там.
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"
Але як таке можливо?
