Frazionalizzazione - Fractionalization

Nella meccanica quantistica , la frazionalizzazione è il fenomeno per cui le quasiparticelle di un sistema non possono essere costruite come combinazioni dei suoi costituenti elementari. Uno dei primi e più importanti esempi è l' effetto Hall quantistico frazionario , dove le particelle costituenti sono elettroni ma le quasiparticelle trasportano frazioni della carica elettronica . La frazionalizzazione può essere intesa come deconfinement di quasiparticelle che insieme sono viste come comprendenti i costituenti elementari. Nel caso della separazione spin-carica , per esempio, l'elettrone può essere visto come uno stato legato di uno " spinone " e di un " chargon ", che in determinate condizioni possono diventare liberi di muoversi separatamente.

Storia

La conduttanza di Hall quantizzata è stata scoperta nel 1980, correlata alla carica dell'elettrone. Laughlin ha proposto un fluido di cariche frazionarie nel 1983, per spiegare l' effetto Hall quantistico frazionario visto nel 1982, per il quale ha condiviso il premio Nobel per la fisica nel 1998. Nel 1997, gli esperimenti hanno osservato direttamente una corrente elettrica di un terzo di carica. La carica di un quinto è stata osservata nel 1999 e da allora sono state rilevate varie frazioni dispari.

Successivamente è stato dimostrato che i materiali magnetici disordinati formano fasi di spin interessanti. La frazionalizzazione degli spin è stata osservata negli spin ices nel 2009 e nei liquidi di spin nel 2012.

Le cariche frazionarie continuano ad essere un argomento attivo nella fisica della materia condensata. Gli studi su queste fasi quantistiche influiscono sulla comprensione della superconduttività e sugli isolanti con trasporto di superficie per i computer quantistici topologici .

Fisica

Gli effetti a molti corpi in materiali condensati complicati portano a proprietà emergenti che possono essere descritte come quasiparticelle esistenti nella sostanza. Il comportamento degli elettroni nei solidi può essere considerato come magnoni quasi particellari, eccitoni, buchi e cariche con massa effettiva diversa. Spinons, chargons e anyons non possono essere considerati combinazioni di particelle elementari. Sono state viste diverse statistiche quantistiche; Le funzioni d'onda di Anyons ottengono una fase continua in cambio:

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

È stato realizzato che molti isolanti hanno una superficie conduttiva di stati gassosi di elettroni quantistici 2D.

Sistemi

I solitoni in 1D, come il poliacetilene , portano a metà delle cariche. La separazione della carica di spin in spinoni e oloni è stata rilevata negli elettroni in 1D SrCuO ₂ . Sono stati studiati fili quantistici con comportamento in fase frazionaria.

I liquidi di spin con eccitazioni di spin frazionarie si verificano in cristalli magnetici frustrati, come ZnCu ₃ (OH) ₆ Cl ₂ ( herbertsmithite ) e in α-RuCl ₃ . Il ghiaccio da spin in Dy ₂ Ti ₂ O ₇ e Ho ₂ Ti ₂ O ₇ ha una libertà di rotazione frazionata, portando a monopoli magnetici deconfinati. Dovrebbero essere messi in contrasto con le quasiparticelle come i magnoni e le coppie di Cooper , che hanno numeri quantici che sono combinazioni dei costituenti. I più celebri potrebbero essere i sistemi Hall quantistici, che si verificano ad alti campi magnetici in materiali gassosi di elettroni 2D come le eterostrutture GaAs. Gli elettroni combinati con i vortici del flusso magnetico trasportano corrente. Il grafene mostra la frazionalizzazione della carica.

Sono stati fatti tentativi per estendere il comportamento frazionario ai sistemi 3D. Gli stati superficiali negli isolanti topologici di vari composti (ad esempio leghe di tellurio , antimonio ) e cristalli di metallo puro ( bismuto ) sono stati esplorati per le firme di frazionamento.

Appunti