Подтверждена теория о строении электронов

Ученые Принстонского университета изучили противоречивую теорию о строении электрона. В ходе экспериментов они получили свидетельство того, что этот знакомый всем строительный блок материи ведет себя так, как будто он состоит из двух частиц. Одна частица дает электрону его отрицательный заряд, а другая — магнитоподобное свойство, известное как спин.

«Мы думаем, что получили первое неопровержимое доказательство разделения спиновых зарядов», — говорит Най Фуан Онг, профессор физики Юджина Хиггинса из Принстона.

Результаты ученых подтверждают предсказание, сделанное несколько десятилетий назад для объяснения одного из самых сложных состояний материи — квантовой спиновой жидкости. Во всех материалах спин электрона может быть направлен вверх или вниз. Но в случае с квантовой спиновой жидкостью спины не могут образовывать однородный узор даже при охлаждении, очень близком к абсолютному нулю. 

Для математического описания удивительного поведения электрона лауреат Нобелевской премии физик Филип Андерсон, который впервые предсказал существование спиновых жидкостей в 1973 году, предложил свое объяснение: в квантовом режиме электрон можно рассматривать как состоящий из двух частиц, один несет отрицательный заряд электрона, а другой — его спин. Андерсон назвал вторую частицу спиноном.

Новое исследование — новые факты

Ученые Принстонского университета искали признаки спинона в спиновой жидкости, состоящей из атомов рутения и хлора. При температурах на долю выше абсолютного нуля по Кельвину (или примерно -452 градуса по Фаренгейту) и в присутствии сильного магнитного поля кристаллы хлорида рутения переходят в состояние спиновой жидкости.

Эксперимент проводился так: специалисты расположили кристалл в ванне с температурой 0 градусов по Кельвину и подключили к нему три высокочувствительных термометра. Затем они приложили магнитное поле и небольшое количество тепла к одному краю кристалла, чтобы измерить его теплопроводность. Если бы спиноны присутствовали, они должны были появиться в виде колеблющегося рисунка на графике зависимости теплопроводности от магнитного поля.

Сигнал, который они искали, было невероятно трудно обнаружить — показатели могли колебаться всего на несколько сотых градуса, поэтому измерения требовали чрезвычайно точного контроля температуры образца, а также тщательной калибровки термометров в сильном магнитном поле.

Был проведен не один эксперимент, а целая серия в течение почти трех лет. В итоге ученым удалось обнаружить колебания температуры, соответствующие спинонам. Это свидетельствует о том, что электрон состоит из двух частиц, и подтверждает противоречивую теорию Андерсона. По словам исследователей, люди искали эту сигнатуру в течение четырех десятилетий. Наблюдения ученых будут проверять еще не один раз. Если все получится удачно, область квантовых спиновых жидкостей значительно продвинется вперед.