Fotonii cu microunde dezvăluie încărcarea fracțională e3 sau e5 a oricilor
Electronul este o particulă elementară care poartă sarcina elementară „e”, o constantă fundamentală în fizică. Cu toate acestea, într-un conductor bidimensional limitat supus unui câmp magnetic intens (10 T), electronii se pot organiza într-o nouă stare cuantică corelată topologic în care curentul electric poate fi transportat prin sarcini fracționate: e/3, e/5 ... Nici fermioni (cum ar fi electronii), nici bosoni (cum ar fi fotonii), aceste particule elementare create de om sunt numite anioni, deoarece se crede că respectă „statisticile cuantice fracționate”. Unele varietăți de anyoni ar putea fi exploatate pentru „calcul cuantic cu topologie”, unde informațiile cuantice sunt transportate de stări bine definite (qubit), deoarece protejate topologic.
O echipă de la SPEC CEA, în colaborare cu Laboratorul Cavendish din Cambridge (Marea Britanie) pentru dezvoltarea materialului, a arătat că se poate observa și manipula oricui de sarcină fracționată e * = e/3 sau e/5, cu fotoni cu microunde de frecvența f. Acest lucru este demonstrat de observarea, în prezența unei polarizări V și a unui câmp de microunde cu frecvență f, a unui exces de zgomot foto-asistat, măsurat dincolo de o tensiune de prag VJ dată de relația de la Josephson: e * VJ = hf. Aceste rezultate sunt publicate în revista „Science”.
Măsurarea acestui prag aduce o nouă determinare originală a sarcinii fracționate a oricui. De asemenea, oferă dovezi că oricii pot absorbi sau emite fotoni, ceea ce deschide o cale pentru manipularea lor rezolvată în timp și încearcă să evidențieze statisticile lor fracționare.
Într-o lume bidimensională, setul de particule elementare ar fi mult mai bogat deoarece, pe lângă fermionii sau bosonii lumii noastre tridimensionale obișnuite, ar exista posibilitatea ca obiectele să se supună unei infinități de statistici cuantice intermediare (sau statistici anionic conform termenului rezultat din cuvântul compus „Any-ons”) [1]. Existența bosonilor și fermionilor rezultă din proprietățile de simetrie ale unui ansamblu al acestor particule: în timpul schimbului a două particule, funcția de undă totală își vede faza neschimbată (faza de deplasare = 0) dacă particulele sunt bosoni sau li se atribuie o fază factorul e iπ = -1 pentru fermioni, în acord cu observațiile tridimensionale. Cu toate acestea, în dimensiunile 2 și pentru aceeași operație de schimb, factorul de fază e iθ poate lua orice valoare, θ fiind „unghiul statistic” a cărui valoare definește o anumită distribuție statistică anionică.
În ultimii 30 de ani, fizicienii materiei condensate au studiat sistemele electronice bidimensionale prin limitarea electronilor într-un plan la interfața a doi semiconductori. Foarte repede au fost observate noi faze cuantice electronice neașteptate la temperatură scăzută în prezența unui câmp magnetic extern. A fost mai întâi întregul efect Quantum Hall [2], unde evoluția ca funcție a câmpului intens aplicat al rezistenței Hall la temperatură scăzută nu mai evoluează liniar, ci prezintă platouri cuantificate, atât de precise încât au dat naștere unui nou standard de rezistență: Klitzing.
Configurare experimentală: un conductor bidimensional este scufundat într-un câmp magnetic intens (
10 T). Doi electrozi creează un contact cuantic punctual în centru, unde tensiunea continuă VDC generează un curent de încărcare fracțională la fiecare curent. Trecerea sarcinilor fiind stocastică, rezultatul este un zgomot electric proporțional cu curentul și valoarea sarcinii. Analiza acestui zgomot a făcut posibilă demonstrarea existenței sarcinilor fracționate.
Prin adăugarea la tensiunea directă a unei tensiuni cu microunde VHF (t) la frecvența f, observăm un zgomot electric suplimentar, care apare dincolo de un prag de tensiune VJ = +/- hν/e *, care asigură o nouă măsurare independentă de sarcina fracționată și dezvăluie posibilitatea de absorbție/emisie de fotoni cu microunde de către oricine.
La un câmp mai puternic, au apărut faze și mai surprinzătoare, unde conductanța Hall devine o fracțiune a unității de conductanță (inversul rezistenței) [3]. În acest regim numit efect cuantic fracțional Hall, curentul poate fi transportat de cvasiparticule care au o sarcină fracționată e * = e/m, m = 3 sau 5, ... în funcție de condițiile experimentale. Ca și quarcurile, sarcinile fracționate e/m nu pot fi separate în vid și trebuie să rămână limitate în fluidul electronic bidimensional. Dar, spre deosebire de quarcii, care sunt fermioni, aceste obiecte sunt orion, care prezintă unghiul statistic π/m. Găsirea unei modalități de manipulare a acestor orion pentru a încerca să evidențieze statisticile lor fracționare este o provocare experimentală, al cărei prim pas tocmai a fost făcut cu succes de cercetătorii SPEC. Dincolo de această descoperire, trebuie remarcat, de asemenea, că oricine nu este doar o curiozitate teoretică, ci aduce și o nouă cale potențială pentru calculul cuantic, pe baza manipulării lor.