Группа исследователей из университета Сорбонны, CNRS и Ecole Normale Superieure, Франция, создала крошечный специализированный “микроколлайдер”, настолько малый, что за процессами, происходящими внутри него, можно наблюдать только при помощи электронного микроскопа. И при помощи этого устройства им удалось получить экспериментальные доказательства существования экзотических “двумерных” квазичастиц, называемых энионами (anyon).
Современная теория, именуемая Стандартной моделью физики элементарных частиц, предполагает существование двух основных типов элементарных частиц – бозонов и фермионов. Поведение и физика этих частиц описывается в трехмерном пространстве и на не самых низких для этих частиц энергетических уровнях. Все это оставляет достаточно пространства для возможности существования частиц других типов, включая и те, которые существуют в двух измерениях.
Одной из таких “двумерных” частиц является энион, который не относится ни к бозонам, ни к фермионам. Согласно теории, значение отрицательного электрического заряда, несомого энионом, меньше, чем значение заряда электрона, что делает энион заряженной частицей с самым маленьким электрическим зарядом. Кроме этого, поведение энионов является чем-то средним между поведением бозонов и фермионов.
Если фермионы отталкиваются друг от друга, а бозоны – притягиваются и могут объединяться группироваться, то у энионов наблюдается что-то среднее между отталкиванием и притягиванием. И именно это свойство сделало возможным работу миниколлайдера, о котором упоминалось чуть выше и о котором пойдет речь дальше.
Созданный учеными “микроколлайдер” физически состоит из нескольких слоев различных условно двумерных материалов, некоторые из которых выполняют роль электродов. Электрические поля, прикладываемые к этим электродам, и сильные внешние магнитные поля обуславливают то, что пространство внутри коллайдера можно считать квантовой жидкостью Холла, в среде которой текут электрические заряды.
В таких условиях внутри коллайдера формируются потоки частиц, включая и поток энионов. Эти поток расщепляются и направляются так, что они сталкиваются в центральной точке коллайдера. При столкновении потоков фермионы покидают пределы коллайдера по одному пути, а бозоны объединяются в большие “глыбы” и покидают коллайдер по другому пути. Также ученые зарегистрировали и третий поток исходящих частиц, менее многочисленный, чем бозоны, но находящийся в полном согласии с теорией, описывающей то, чтобы произошло с энионами в таких условиях.
Отметим, что в данном случае ученым удалось получить так называемые абелевы энионы (abelian anyons), но существует вид еще более экзотических энионов – неабелевы энионы (non-abelian anyons). В ближайшем времени ученые собираются получить доказательства существования энионов второго типа, и для этого они планируют использовать графен, двумерный материал известный целым рядом уникальных и весьма экзотических свойств.
В заключение остается добавить, что данное достижение имеет огромное значение для нескольких разных областей физики, поскольку оно предоставило экспериментальные подтверждения существования частицы, которая являлась чисто теоретической частицей достаточно долгое время. Кроме этого, технология, разработанная французскими учеными, может быть взята на вооружение и другими исследовательскими группами, благодаря работе которых, может быть, уникальные свойства энионов будут использованы для обеспечения работы квантовых компьютеров следующих поколений.