Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Квантовое беззаконие: исключительные частицы

27.01.2016 Наука и жизнь

В первой половине 80-ых годов XX века американский физик и будущий нобелевский лауреат Фрэнк Вилчек предсказал существование экзотических квантово-механических объектов — частиц, не подчиняющихся правилам квантовой статистики. Он назвал их «энионами» (anyons, от англ. «any» — любой, и окончания элементарных частиц «on» — proton, electron. Не путать с анионами — хорошими ионами).

бозоны и Фермионы

В совокупности однообразных частиц любая частица находится в каком-то из разрешенных квантовых состояний. Количество частиц, в один момент пребывающих в одном и том же состоянии, именуется числом его заполнения.

В 1920-х физики заключили, что микрочастицы подразделяются на два непересекающихся класса. Числа заполнения частиц одной группы смогут принимать каждые целочисленные значения: 0 (состояние пусто), 1, 2, 3 и без того потом до бесконечности (конкретные числа заполнения зависят от особенностей совокупности, но сама квантовая статистика их не ограничивает).

Частицы другого типа в коллективе ведут себя совсем в противном случае, их числа заполнения — либо нуль, либо единица: в каждом разрешенном состоянии может сидеть не больше одной таковой частицы.Квантовое беззаконие: исключительные частицы Частицы первого класса именуются бозонами (в честь индийского физика Бозе), а второго — фермионами (в честь Энрико Ферми). В первой половине 40-ых годов двадцатого века Паули математически доказал, что частицы с целым поясницей являются бозонами, а с полуцелым — фермионами.

Исключение из правил

Продолжительное время вычисляли (и обосновывали математически), что никаких вторых частиц, не считая фермионов и бозонов, не существует. Данный вывод распространялся и на квазичастицы — возбужденные состояния многочастичных совокупностей, в ряде взаимоотношений проявляющих себя как «настоящие» частицы (к примеру, дырки и электроны проводимости в полупроводниках).

Эти доводы продолжительно время считались непререкаемыми, но 30 лет назад норвежские физики Джон Льенаас и Ян Мархайм продемонстрировали, что они строго обоснованы только в трехмерном и более пространстве. А вот для квазичастиц и частиц, замкнутых в двумерном пространстве, эта логика не проходит.

Через пара лет Вилчек и другие физики пришли к подобному выводу, в следствии чего и показалась догадка об энионах, утверждающая, что двумерное перемещение ведет к появлению квазичастиц с числами заполнения, каковые не ограничиваются единицей и нулём, как у фермионов, но все же не смогут иметь любую величину, как у бозонов. Не смотря на то, что энионы и могут уживаться в собственных квантовых квартирах-состояниях, количество соседей все-таки подчиняется достаточно твёрдым правилам.

Само собой разумеется, мы живем в трехмерном мире. Но заберём самый простой графит — материал со слоистой структурой. Из-за данной слоистости электроны проводимости в графита предпочитают перемещаться на протяжении отдельных плоскостей — пространств с двумя измерениями. Двумерное перемещение электронов просто сделать и на границе между диэлектриком и полупроводником, что и происходит в транзисторе полевого типа.

В общем, оно в полной мере реально.

Экспериментальное подтверждение

Фрэнк Вилчек выдвинул собственную идею в очень подходящее время. Как раз в начале 1980-х было открыто страно прекрасное явление — квантовый эффект Холла. Данный феномен имеет место при сверхнизкой температуре при двумерного перемещения электронов в поперечном магнитном поле.

В случае если магнитное поле сильно (более 10 Тесла), электронный газ получает свойства фактически несжимаемой жидкости. Опыт продемонстрировал, что в данной жидкости появляются квантованные вихревые возбуждения, каковые являются квазичастицами с дробным зарядом (отметим, что элементарная единица заряда — это заряд электрона). Теоретики в далеком прошлом предполагали, что такие псевдовихри владеют особенностями энионов, но это не было экспериментально доказано.

Сейчас же Владимир его коллеги и Голдман из университета штата Нью-Йорк в Стони Брук взяли такое подтверждение. Посредством электрических полей они организовали на поверхности помещенного в магнитное поле полупроводника узкий диск, окруженный кольцом. В диска рождаются квазичастицы с зарядом, равным одной пятой заряда электрона (красные шарики на картине), а в кольце — одной трети (светло синий шарик).

Экспериментаторы определяли трансформации проводимости данной совокупности при трансформациях величины магнитного поля. Анализ взятых данных подтвердил, что квазичастицы в кольце и в диска смогут стабильно рождаться и исчезать только группами определенной численности. Это именно свидетельствует, что они подчиняются статистике энионного типа.

Возможно ли предвидеть практические приложения для энионов? Вот что поведал «ПМ» доктор наук Голдман: «Одно использование на практике энионов рассматривается на уровне догадки. Пара лет назад доктор наук Калифорнийского технологического университета Алексей Китаев внес предложение применять энионы в квантовых компьютерах, работа которых основана на топологических особенностях волновой функции.

Теория говорит, что такие компьютеры будут различаться надежностью в работе, будут фактически застрахованы от маленьких неточностей. Моя несколько на данный момент именно и трудится над этим проектом».

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№41, март 2006).

Случайные записи:

Forget what you know | Jacob Barnett | TEDxTeen


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,