Квантовый мир оказался еще более странным, чем считали физики

Исследователи из Университета Пердью в Уэст-Лафайетт, штат Индиана, получили новое экспериментальное подтверждение группового поведения электронов, при котором образуются энионы — квазичастицы, существующие в двумерных системах. Статья об этом опубликована в издании Nature Physics.

До того, как были открыты энионы, элементарные частицы и квазичастицы делили на две большие группы: фермионы и бозоны. К первым, например, относятся носители электрического заряда — электроны, а ко вторым — фотоны. У фермионов и бозонов есть ряд фундаментальных отличий: так, фермионы могут иметь дробный спин, а бозоны — только целочисленный; у фермионов есть античастицы, а у бозонов их нет; принцип запрета Паули применим только к фермионам.

Картина интерференции энионов — «пижамная диаграмма»/ Nakamura, Manfra et al., Nature Physics, 2020

Существование энионов было впервые теоретически обосновано еще в 1977 году группой норвежских физиков. Эти квазичастицы являют собой обобщение бозонов и фермионов и не могут быть четко отнесены к одной из групп. Их название происходит от английского слова any — «любой, всякий». Энионы обладают характеристиками, которых нет у других частиц: например, могут иметь дробный заряд и дробные квантовые статистики, которые сохраняют «память» о взаимодействиях с другими квазичастицам.

«Энионы существуют только как коллективные возбуждения электронов при особых обстоятельствах, — говорит соавтор исследования Майкл Манфра. — Но у них действительно есть эти явно необычные свойства <…>. Забавно, потому что ну как они могут иметь меньший заряд, чем элементарный заряд электрона? Но так есть».

Долгое время существование энионов оставалось лишь теорией. Но в 2005 году физики из Университета Стоуни-Брук в штате Нью-Йорк смогли на специальном интерферометре выявить несколько событий, вызванных интерференцией этих квазичастиц. Новая работа дает еще больше экспериментальных подтверждений существованию энионов.

Упрощенная схема интерферометра, на котором проводились эксперименты

Исследователям удалось добиться условий для проявления квазичастиц, направляя электроны по своеобразному «лабиринту», вытравленному в наноразмерном интерферометре из арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия. Таким образом, движение частиц было ограничено двумерным пространством. При этом к интерферометру прикладывали мощное магнитное поле индукцией 9 Тл и охлаждали его до 10 милликельвинов. Полученная картина интерференции частиц — ученые назвали ее «пижамной диаграммой» — указывала на появление энионов.

Следующим шагом в изучении энионов будет создание более сложных интерферометров. «<…> У нас будет возможность контролировать расположение и количество квазичастиц в камере, — говорит ведущий автор исследования Джеймс Накамура. — Тогда мы сможем изменять количество квазичастиц внутри интерферометра по запросу и менять интерференционную картину по своему усмотрению».

Работа американских исследователей может быть полезной для создания производительных квантовых компьютеров. Однако авторы исследования считают, что это в первую очередь важный шаг в теоретической квантовой физике и очередное доказательство того, что квантовый мир очень странный.