En mecánica cuántica , la fraccionalización es el fenómeno por el cual las cuasipartículas de un sistema no se pueden construir como combinaciones de sus constituyentes elementales. Uno de los ejemplos más tempranos y prominentes es el efecto Hall cuántico fraccional , donde las partículas constituyentes son electrones pero las cuasipartículas llevan fracciones de la carga electrónica . [1] [2] La fraccionalización puede entenderse como la desconfinación de las cuasipartículas que, en conjunto, se consideran que comprenden los constituyentes elementales. En el caso de separación espín-carga, por ejemplo, el electrón puede verse como un estado ligado de un ' spinon ' y un ' chargon ', que bajo ciertas condiciones puede volverse libre para moverse por separado.
Historia
La conductancia Hall cuantificada se descubrió en 1980, relacionada con la carga de electrones. Laughlin propuso un fluido de cargas fraccionarias en 1983, para explicar el efecto Hall cuántico fraccional observado en 1982, por el que compartió el Premio Nobel de Física de 1998. En 1997, los experimentos observaron directamente una corriente eléctrica de un tercio de carga. La quinta parte de la carga se observó en 1999 y desde entonces se han detectado varias fracciones impares.
Más tarde se demostró que los materiales magnéticos desordenados forman interesantes fases de giro. El fraccionamiento de la centrifugación se observó en los hielos de centrifugación en 2009 y en los líquidos de centrifugación en 2012.
Las cargas fraccionarias siguen siendo un tema activo en la física de la materia condensada. Los estudios de estas fases cuánticas impactan la comprensión de la superconductividad y los aislantes con transporte de superficie para computadoras cuánticas topológicas .
Física
Los efectos de muchos cuerpos en materiales condensados complicados conducen a propiedades emergentes que pueden describirse como cuasipartículas existentes en la sustancia. El comportamiento de los electrones en los sólidos se puede considerar como magnones, excitones, huecos y cargas de cuasi partículas con diferente masa efectiva. Spinons, chargons y anyons no pueden considerarse combinaciones de partículas elementales. Se han visto diferentes estadísticas cuánticas; Las funciones de onda de Anyons ganan una fase continua a cambio: [3]
Se ha descubierto que muchos aisladores tienen una superficie conductora de estados gaseosos de electrones cuánticos 2D.
Sistemas
Los solitones en 1D, como el poliacetileno , producen medias cargas. [4] Se detectó separación de espín-carga en espinones y holones en electrones en 1D SrCuO 2 . [5] Se han estudiado cables cuánticos con comportamiento de fase fraccionada.
Los líquidos de giro con excitaciones de giro fraccionadas se producen en cristales magnéticos frustrados, como ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 ( herbertsmithita ) y en α-RuCl 3 . [6] El hielo giratorio en Dy 2 Ti 2 O 7 y Ho 2 Ti 2 O 7 tiene una libertad de giro fraccionada, lo que conduce a monopolos magnéticos desconfinados. [7] Deben contrastarse con cuasipartículas como magnones y pares de Cooper , que tienen números cuánticos que son combinaciones de los constituyentes. Los más famosos pueden ser los sistemas Hall cuánticos, que se producen en campos magnéticos elevados en materiales gaseosos de electrones bidimensionales, como las heteroestructuras de GaAs. Los electrones combinados con vórtices de flujo magnético transportan corriente. El grafeno exhibe fraccionamiento de carga.
Se ha intentado extender el comportamiento fraccional a los sistemas 3D. Se han explorado los estados superficiales de los aislantes topológicos de varios compuestos (por ejemplo , aleaciones de telurio , antimonio ) y cristales de metal puro ( bismuto ) [8] para determinar las firmas de fraccionamiento.
Notas
- ^ "Portadores de carga fraccional descubiertos" . Mundo de la física . 24 de octubre de 1997 . Consultado el 8 de febrero de 2010 .
- ^ Martin J, Ilani S, Verdene B, Smet J, Umansky V, Mahalu D, Schuh D, Abstreiter G, Yacoby A (2004). "Localización de cuasi-partículas cargadas fraccionadamente". Ciencia . 305 (5686): 980–3. Código bibliográfico : 2004Sci ... 305..980M . doi : 10.1126 / science.1099950 . PMID 15310895 .
- ^ Stern, Ady; Levin, Michael (enero de 2010). "Punto de vista: Liberar a todos desde dos dimensiones" . Física . 3 : 7. Código bibliográfico : 2010PhyOJ ... 3 .... 7S . doi : 10.1103 / Física.3.7 .
- ^ RA Bertlmann; A. Zeilinger (27 de julio de 2002). (In) hablables cuánticos: de la campana a la información cuántica . Springer Science & Business Media. págs. 389 –91. ISBN 978-3-540-42756-8.
- ^ Kim, B. J; Koh, H; Rotenberg, E; Oh, S. -J; Eisaki, H; Motoyama, N; Uchida, S; Tohyama, T; Maekawa, S; Shen, Z. -X; Kim, C (21 de mayo de 2006). "Distintas dispersiones de espinones y holones en funciones espectrales de fotoemisión de SrCuO2 unidimensional". Física de la naturaleza . 2 (6): 397–401. Código bibliográfico : 2006NatPh ... 2..397K . doi : 10.1038 / nphys316 .
- ^ Banerjee, A .; Bridges, CA; Yan, J.-Q .; et al. (4 de abril de 2016). "Comportamiento líquido de giro cuántico de Kitaev próximo en un imán de panal". Materiales de la naturaleza . 15 (7): 733–740. arXiv : 1504.08037 . Código bibliográfico : 2016NatMa..15..733B . doi : 10.1038 / nmat4604 . PMID 27043779 .
- ^ C. Castelnovo; R. Moessner; S. Sondhi (2012). "Spin Ice, fraccionalización y orden topológico". Revisión anual de la física de la materia condensada . 3 (2012): 35–55. arXiv : 1112.3793 . doi : 10.1146 / annurev-conmatphys-020911-125058 .
- ^ Behnia, K; Balicas, L; Kopelevich, Y (2007). "Firmas de fraccionamiento de electrones en bismuto Ultraquantum". Ciencia . 317 (5845): 1729-1731. arXiv : 0802.1993 . Código Bibliográfico : 2007Sci ... 317.1729B . doi : 10.1126 / science.1146509 . PMID 17702909 .