Получено экспериментальное подтверждение существования спинонов и холонов, предсказанных теорией. Ученые полагают, что открытие окажет большое влияние на развитие передовых технологий, включая такие области, как высокотемпературная сверхпроводимость, нанопроводники и спинтроника.

Ученые из национальной лаборатории Лоуренс-Беркли министерства энергетики США при помощи источника излучения ALS (Advanced Light Source) экспериментально обнаружили предсказанное ранее теоретически разделение заряда и спина в одномерном твердом теле с образованием новых частиц - спинонов (spinon) и холонов (holon).

С точки зрения классической физики трудно представить, что заряд и спин электрона могут быть разделены. Тем не менее, уже более 40 лет существует теория, согласно которой в одномерных твердых телах общее возбуждение электронов может привести к появлению двух новых частиц, названных спинон и холон. Спинон несет информацию о вращении (спине) электрона, холон - о его заряде.

Многочисленные предыдущие эксперименты не могли подтвердить существование этих частиц. Лишь технологические преимущества установки ALS Beamline 7,0.1, также известной как ESF (Electronic Structure Factory), позволили ученым добиться успеха.

Группа ученых во главе с Чанянгом Кимом (Changyoung Kim) из университета Йонсей (Yonsei) в Сеуле, Корея, Эли Ротенберг (Eli Rotenberg), оператора ALS, и Чжи-Сюнь Шеня (Zhi-Xun Shen) из Стэнфордского университета сообщила об обнаружении четких спектральных сигналов спинонов и холонов в одномерных образцах окиси меди SrCuO2.. В ходе эксперимента физики использовали технику фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy). Идея разделения заряда и вращения основана на специфических свойствах электронов в одномерных материалах, где их подвижность ограничена. В одномерных материалах электроны выстраиваются в одну линию, и силы отталкивания, обусловленные их отрицательными зарядами, становятся преобладающими. При этом возникают определенные групповые эффекты, которые позволяют наблюдать разделение спина и заряда электронов.

Методика ARPES состоит в том, что образец облучается рентгеновскими лучами, вызывающими эмиссию электронов (фотоэффект). Измерение кинетической энергии испускаемых электронов и углов, под которыми они вылетают, позволяет вычислить их скорость и степень рассеяния. Это в свою очередь дает детальную картину энергетического спектра электрона. Удаление электрона приводит к образованию положительно заряженной "дырки", которая несет информацию как о спине, так и о заряде, что проявляется в виде одного пика спектра ARPES. Если происходит разделение заряда и спина, "дырка" распадается на спинон и холон, и в спектре ARPES появляются два пика.

В установке ALS Beamline 7,0.1 используется магнитный ондулятор, который позволяет генерировать когерентный и настраиваемый рентгеновский луч - в сто миллионов раз более мощный, чем излучение лучших рентгеновских трубок, что обеспечивают исключительно высокую степень углового разрешения для экспериментов ARPES.

Возможно, явление разделения заряда и спина поможет объяснить высокотемпературную сверхпроводимость окиси меди, которая остается пока загадкой для ученых. Спиноны и холоны могут также играть важную роль в создании нанопроводов - одномерных трубок, движение электронов через которые столь ограничено, что начинают доминировать квантовые эффекты.

Два дискретных пика (синий - холон, красный - спинон) в спектре, полученном с помощью ARPES

Открытие, как ожидают, отразится и на развитии спинтроники - технологии, в которой хранение и запись данных будут основаны на вращении (спине) электронов, а не только на их заряде, как это имеет место в настоящих электронных устройствах.