Fracionamento - Fractionalization

Na mecânica quântica , o fracionamento é o fenômeno pelo qual as quase - partículas de um sistema não podem ser construídas como combinações de seus constituintes elementares. Um dos primeiros e mais proeminentes exemplos é o efeito Hall quântico fracionário , em que as partículas constituintes são elétrons, mas as quasipartículas carregam frações da carga do elétron . A fracionalização pode ser entendida como o desconfinamento de quase-partículas que, juntas, são vistas como constituintes dos constituintes elementares. No caso da separação spin-carga , por exemplo, o elétron pode ser visto como um estado ligado de um ' spinon ' e um ' chargon ', que sob certas condições podem se tornar livres para se mover separadamente.

História

A condutância Hall quantizada foi descoberta em 1980, relacionada à carga do elétron. Laughlin propôs um fluido de cargas fracionárias em 1983, para explicar o efeito Hall quântico fracionário visto em 1982, pelo qual ele dividiu o Prêmio Nobel de Física em 1998. Em 1997, experimentos observaram diretamente uma corrente elétrica de um terço da carga. A carga de um quinto foi observada em 1999 e várias frações ímpares foram detectadas desde então.

Mais tarde, mostrou-se que materiais magnéticos desordenados formavam fases de spin interessantes. O fracionamento da centrifugação foi observado em giros em 2009 e em líquidos em 2012

Cargas fracionárias continuam a ser um tópico ativo na física da matéria condensada. Estudos dessas fases quânticas impactam a compreensão da supercondutividade e de isoladores com transporte de superfície para computadores quânticos topológicos .

Física

Os efeitos de muitos corpos em materiais condensados ​​complicados levam a propriedades emergentes que podem ser descritas como quasipartículas existentes na substância. O comportamento do elétron em sólidos pode ser considerado como magnons de quase partículas, excitons, buracos e cargas com diferentes massas efetivas. Spinons, chargons e anyons não podem ser considerados combinações de partículas elementares. Diferentes estatísticas quânticas foram vistas; As funções de onda Anyons ganham uma fase contínua em troca:

Foi constatado que muitos isoladores têm uma superfície condutora de estados de gás de elétrons quânticos 2D.

Sistemas

Sólitons em 1D, como poliacetileno , levam a meias cargas. A separação de carga de spin em espínons e hólons foi detectada em elétrons em 1D SrCuO 2 . Fios quânticos com comportamento de fase fracionária têm sido estudados.

Líquidos de spin com excitações de spin fracionárias ocorrem em cristais magnéticos frustrados, como ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 ( herbertsmithita ), e em α-RuCl 3 . Gelo de spin em Dy 2 Ti 2 O 7 e Ho 2 Ti 2 O 7 tem liberdade de spin fracionada, levando a monopólos magnéticos desconfinados. Eles devem ser contrastados com quasipartículas, como magnons e pares de Cooper , que têm números quânticos que são combinações dos constituintes. Os mais celebrados podem ser os sistemas Hall quânticos, ocorrendo em campos magnéticos elevados em materiais de gás de elétrons 2D, como heteroestruturas de GaAs. Elétrons combinados com vórtices de fluxo magnético carregam corrente. O grafeno exibe fracionamento de carga.

Foram feitas tentativas para estender o comportamento fracionário para sistemas 3D. Os estados de superfície em isoladores topológicos de vários compostos (por exemplo , ligas de telúrio , antimônio ) e cristais de metal puro ( bismuto ) foram explorados para assinaturas de fracionamento.

Notas