科學家觀察到電子分裂為自旋子和軌道子

2020-12-03 中國科學院

據物理學家組織網、《自然》網站等媒體4月18日報導，最近，一個由瑞士保羅·謝爾研究所實驗物理學家和德國德勒斯登固體和材料研究所理論物理學家領導的國際研究小組通過實驗發現，一個電子分裂成兩個獨立的準粒子：自旋子（spinon）和軌道子（orbiton）。這一結果發表在近日的《自然》雜誌上。

以往人們認為電子是一種基本粒子，無法分裂為更小部分。上世紀80年代，物理學家預言，電子以原子的一維鏈形式存在，可以分裂成3個準粒子：空穴子攜帶電子電荷，自旋子攜帶旋轉屬性（一種與磁性有關的內在量子性質），軌道子攜帶軌道位。1996年，物理學家將電子空穴和自旋子分開，自旋和軌道這兩種性質伴隨著每一個電子。

然而，新實驗觀察到這兩種性質分開了——電子衰變為兩個不同部分，各自攜帶電子的部分屬性：一個是自旋子，具有電子的旋轉屬性；另一個是軌道子，具有電子繞核運動的屬性，但這些新粒子都無法離開它們的物質材料。

研究人員用瑞士光源（Swiss Light Source）的X射線對一種叫做Sr2CuO3的鍶銅氧化物進行照射，讓其中銅原子的電子躍遷到高能軌道，相應電子繞核運動的速度也就越高。他們發現，電子被X射線激發後分裂為兩部分：一個是軌道子，產生軌道能量；另一個是自旋子，攜帶電子的自旋性及其他性質。Sr2CuO3有著特殊性質，材料中的粒子會被限制只能以一個方向運動，向前或向後。通過比較X射線照射材料前後的能量與動量的變換，可以追蹤分析新生粒子的性質。

實驗小組領導託斯登·施密特說：「這些實驗不僅需要很強的X射線，把能量收縮在極狹窄範圍，才能對銅原子的電子產生影響，還要有極高精度的X射線探測儀。」

「這是首次觀察到電子分成了獨立的自旋子和軌道子。現在我們知道了怎樣找到它們。下一步是同時產生出空穴子、自旋子和軌道子來。」理論小組領導傑羅恩·范德·布林克說，「在材料中，這些準粒子能以不同的速度、完全不同的方向運動。這是因為它們被限制在材料中時，性質就像波。當被激發時，波分裂為多個，每個攜帶電子的不同特徵，但它們不能在材料以外獨立存在。」

觀察到電子分裂將對一些前沿領域產生重要影響，如高溫超導和量子計算機。Sr2CuO3中的電子和銅基超導材料中的電子有著相似的性質，該研究為高溫超導研究提供了一條新途徑。此外，研究軌道子有助於開發量子計算機。「同時用自旋子和軌道子來編碼和操控信息，這可能是未來發展的方向。」英國牛津大學物理學家安德魯·波斯羅伊德說，「量子計算機的一個主要障礙是量子效應會在完成計算之前被破壞。而軌道子的躍遷速度只要幾飛秒（1飛秒=10的負15次方秒），這樣的速度為製造現實量子計算機帶來了更多機會。」

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