Igazolták, hogy az elektron is tovább osztható

Eddigi ismereteink szerint az elektron a természet egyik alapvető építőköve, mely szabad állapotban oszthatatlan. A cambridge-i és a birmingham-i egyetem fizikusainak új kísérlete szerint azonban a vékony vezetékekbe zsúfolt elektronok két eddig ismeretlen részecskére bomlanak, melyek neve spinon és holon.

Az áramkörök vezetékeiben az elektronok szállítják az elektromosságot és okozzák a mágnesességet. A szabad elektronok mérettel és alakkal nem rendelkeznek, és lehetetlen őket részekre bontani.

A szabad elektronok tulajdonságai azonban nem feltétlenül egyeznek meg az egymás közelébe kényszerített elektronokéval. Az elektronok - azonos töltésűek lévén - taszítják egymást; mozgásuk úgy módosul, hogy elkerüljék egymás túlságos megközelítését. Közönséges fémekben is így viselkednek, nagyon vékony drótban azonban sokkal nehezebb kikerülniük egymást, és ezért "tülekedés" alakul ki.

1981-ben Duncan Haldane fizikus elméletileg feltételezte, hogy ilyen feltételek és nagyon kis hőmérséklet esetén az elektronok folyton módosítják viselkedésüket, aminek következtében mágnesességük és elektromos töltésük szétválik, azaz két új részecske jelenik meg, a spinon és a holon.

A bizonyítás során a feladat az elektronok bebörtönzése egy "kvantum-drótba", amelyet egy közönséges fémdarab közelébe kell helyezni úgy, hogy a fémben levő elektronok a kvantummechanikai alagúthatás révén át tudjanak "ugrani" erre a drótra. Megfigyelve az ugrási gyakoriságnak az alkalmazott mágneses tértől való függését kiderül, hogyan válik szét az elektron spinonra és holonra.

A szükséges kísérleti feltételeket biztosító elrendezés egy drótfésűt és egy lapos fémdarabot (elektronfelhőt) tartalmazott. A méréseket rendkívül alacsony hőmérsékleten, egytized kelvinen kellett végezni. A Cambridge fizikusai, Yodchay Jompol és Chris Ford egyértelműen észlelték a két új részecske hatását, pontosan úgy, ahogy azt a Birmingham elméleti szakemberei, Tim Silk és Andy Schofield előrejelezték.

"Ki kellett fejleszteni azt a technológiát, ami lehetővé teszi az elektromos áramot egy vezeték és egy tőle 30 atomátmérő távolságban levő lemez között" - mondja Dr. Chris Ford. "A kvantumdrótokat a kvantumpöttyök összekapcsolására használják, melyek a jövő új típusú számítógépeinek, a kvantumszámítógépeknek lesznek részei. Ezért a kvantumdrótok tulajdonságainak megismerése fontos a kvantumtechnológiák fejlesztéséhez, és segít a szupravezetés egy jobb elméletének kidolgozásában. Ez egy új komputer-forradalomhoz vezethet."

Ennél a kísérletnél az elméleti előrejelzés tíz évvel előzte meg a kísérleti igazolást. Ennyi időt kellett várni ahhoz, hogy a kísérlethez szükséges technológiát kifejlesszék. Nemcsak a spinonok és a holonok megjelenése figyelemre méltó a kísérletben, hanem az is, hogy ezek a részecskék olyan körülmények között jelentek meg, amelyek megfeleltek  Duncan Haldane eredeti előrejelzésének.

Egy önálló elektron viselkedésének szabályozása a félvezetők forradalmát eredményezte, ami olcsóbb számítógépek, az iPod-ok és egyebek kifejlesztéséhez vezetett. A kérdés most az, hogy ezeket az új részecskéket is hasonló sikerrel tudjuk-e majd kezelni, és mire számíthatunk, ha elektronok egymás közelébe kényszerítése új tulajdonságok, sőt új részecskék felfedezéséhez, alkalmazásához vezet.

A cikk eredetiben

Posztobányi Kálmán