Микровълновите фотони разкриват частичен заряд e3 или e5 на айони
Електронът е елементарна частица, носеща елементарния заряд "e", основна константа във физиката. Въпреки това, в затворен двуизмерен проводник, подложен на интензивно магнитно поле (10 T), електроните могат да се организират в ново топологично корелирано квантово състояние, където електрическият ток може да бъде пренасян от частични заряди: e/3, e/5 .... Нито фермиони (като електрони), нито бозони (като фотони), тези изкуствени елементарни частици се наричат айони, тъй като се смята, че се подчиняват на „фракционна квантова статистика“. Някои разновидности на айони могат да бъдат използвани за "топологични квантови изчисления", където квантовата информация се носи от добре дефинирани състояния (кубит), тъй като топологично защитени.
Екип от SPEC CEA, в сътрудничество с лабораторията Cavendish в Кеймбридж (Великобритания) за разработването на материала, показа, че човек може да наблюдава и манипулира всякакви фракционни заряди e * = e/3 или e/5, с микровълнови фотони на честота f. Това се демонстрира от наблюдението, в присъствието на поляризационно V и микровълново поле с честота f, на излишен шум, подпомогнат от фотография, измерен над праговото напрежение VJ, дадено от отношението на Джоузефсън: e * VJ = hf. Тези резултати са публикувани в списание "Science".
Измерването на този праг носи ново оригинално определяне на дробния заряд на айони. Той също така дава доказателство, че всеки айон може да абсорбира или излъчва фотони, което отваря път за тяхната манипулация, разрешена във времето, и опит да се подчертае тяхната фракционна статистика.
В двуизмерен свят наборът от елементарни частици би бил много по-богат, тъй като в допълнение към фермионите или бозоните на обичайния ни триизмерен свят, би имало възможност обектите да се подчиняват на безкрайността на междинната квантова статистика (или статистика anyonic според термина, произтичащ от сложната дума "Any-ons") [1]. Съществуването на бозони и фермиони се дължи на свойствата на симетрия на сбор от тези частици: по време на обмена на две частици, общата вълнова функция вижда своята фаза непроменена (фазово отместване = 0), ако частиците са бозони, или е назначена фаза коефициент e iπ = -1 за фермиони, в съгласие с триизмерни наблюдения. Въпреки това, в измерения 2 и за една и съща обменна операция, фазовият фактор e iθ може да приеме всякаква стойност, θ е „статистическият ъгъл“, чиято стойност определя конкретно анионно статистическо разпределение.
През последните 30 години физиците на кондензираната материя изучават двумерни електронни системи, като задържат електрони в равнина на границата на два полупроводника. Много бързо се наблюдават нови неочаквани електронни квантови фази при ниска температура в присъствието на външно магнитно поле. Първо беше целият ефект на Квантовия Хол [2], където еволюцията като функция от интензивното приложено поле на съпротивлението на Хол при ниска температура вече не еволюира линейно, а представя количествени плата, толкова точни, че те породиха нов стандарт на съпротива: Klitzing.
Експериментална настройка: Двуизмерен проводник е потопен в интензивно магнитно поле (
10 T). Два електрода създават точков квантов контакт в центъра, където прякото напрежение VDC генерира частичен заряд, който и да е ток. Преминаването на зарядите е стохастично, резултатът е електрически шум, пропорционален на тока и стойността на заряда. Именно анализът на този шум направи възможно да се покаже съществуването на дробни заряди.
Чрез добавяне към прякото напрежение на микровълново напрежение VHF (t) при честотата f, наблюдаваме допълнителен електрически шум, който се появява над прага на напрежението VJ = +/- hν/e *, което осигурява ново измерване, независимо от дробния заряд и разкрива възможността за поглъщане/излъчване на микровълнови фотони от всякакви.
При по-силно поле се появиха още по-изненадващи фази, където проводимостта на Хол се превръща в част от единицата на проводимостта (обратно на съпротивлението) [3]. В този режим, наречен фракционен квантов ефект на Хол, токът може да се пренася от квазичастици, носещи фракционен заряд e * = e/m, m = 3 или 5, ... в зависимост от експерименталните условия. Подобно на кварките, фракционните заряди e/m не могат да бъдат разделени във вакуум и трябва да останат затворени в двумерната електронна течност. Но за разлика от кварките, които са фермиони, тези обекти са айони, показващи статистическия ъгъл π/m. Намирането на начин да се манипулират тези опити, за да се опита да се подчертае тяхната частична статистика, е експериментално предизвикателство, първата стъпка от което току-що беше предприета успешно от изследователите на SPEC. Отвъд този пробив трябва да се отбележи също, че айоните са не само теоретично любопитство, но и носят потенциален нов път за квантови изчисления, базиран на тяхната манипулация.