Az elektronok olyan stabil elemi részecskék, amelyek szabad állapotukban nem hasadnak még kisebb egységekre, ellentétben más, náluk labilisabb természetű társaikkal, például a müonnal, amely neutrínókra és elektronra bomlik szét. Azonban, ahogy azt már évtizedekkel ezelőtt megjósolták, különleges körülmények között a részecskék spinjéről (perdületéről), töltéséről és keringési helyzetéről szóló információkat hordozó kvázirészecskék elválnak egymástól, vagyis az elektron részei külön életet kezdenek el élni.

A kutatók ezeket spinonnak, holonnak (vagy chargonnak) és orbitonnak nevezték el, de sokáig csak elméleti úton bizonyították a létezésüket, a közvetlen megfigyelésre csak másfél évtizeddel ezelőtt került sor. 2006-ban a Stanford fizikusainak először sikerült közvetlen bizonyítékot szereznie a spin-töltés különválás folyamatáról, amelynek során spinonok és holonok keletkeztek. Ez egy esetben következhet csak be: amikor az elektronok egydimenziós anyagba szorítva elvesztik a szabad mozgás lehetőségét és negatív töltésük elkezd taszító hatást kifejteni a mellettük lévő többi elektronra. A következmény a kvázirészecskék születése, amelyek ugyan továbbra is összetartoznak, elvégre ugyanarról az elektronról szóló információt hordozzák, de mégis különálló egységnek számítanak.

A Berkley Lab (Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium) kutatói most felvételt is készítettek a speciális eseményről, így a spinonok nem szellemek többé, konkrét formát öltöttek, melyet megfigyelhetnek a fizikusok.

"A spinonok olyanok, mint a szellemrészecskék. Ők a kvantumfizika Jetijei - az emberek állítják, hogy látták őket, de nehéz bizonyítani, hogy tényleg léteznek."

- mondta Sung-Kwan Mo, a laboratórium munkatársa.

A részecskék megfigyelésére az anyag egy egészen egyedi állapotában, a kvantum spin folyadékban került sor: ezek olyan mágneses anyagok, amelyekben a mágneses momentum, vagyis a spin nem szerveződik rendezett mintákba. A spinonok jelenlétét már korábban is próbálták kimutatni a spin folyadékokban, de eddig másfajta jelek után kutattak a fizikusok, mivel elsősorban a hőmérsékletbeli különbségeket figyelték. A Berkley kutatói tantál-diszelenidből készítettek egyrétegű mintát, majd pásztázó alagútmikroszkóp segítségével behelyezték az elektronokat. Az elemzés meglepő jelenséget mutatott ki, az anyag felszínén olyan hullámok keletkeztek, amelyek hullámhosszára először nem találtak magyarázatot.

Később ráébredtek, hogy éppen a spin-töltés szétválását sikerült felfedezniük.

A felvételek azt ábrázolták, ahogy a töltést hordozó chargonok mozdulatlanná dermedtek, miközben a spinonok kiszabadultak és körbejártak az anyagban. A megfigyelés így azoknak a kísérleteknek a számát szaporítja, amelyek az elmúlt időszakban egyre eredményesebben gyűjtöttek bizonyítékot a régen megalkotott elmélet igazolására. Legutóbb, igaz nem felvételekkel, hanem a mérésekből származó adatok elemzésével, a Princeton Egyetem kutatóinak sikerült alátámasztania a spinonok létezését, ők három évnyi munka után bukkantak rá az egészen apró jelekre.

A vizsgálatok jelentőségét elsősorban a megszerzett információk jövőbeli alkalmazása adja, mivel a kvantumszámítógépek qubitjait lehetséges, hogy spin folyadékokból hozzák majd létre, ebben az esetben pedig jól jön, ha minél alaposabban kiismerik a fizikusok az anyag természetét és a benne történő titokzatos folyamatokat.

(Fotó: Mike Crommie et al./Berkeley Lab, Getty Images/ EzumeImages)

További cikkek a témában:

A szupravezetőkben rejtélyes folyamatok zajlanak - dimenziót váltanak bennük az elektronok Először figyelték meg a kutatók az elektronok szokatlan viselkedését egy szupravezetőben. A vizsgálatok célja, hogy olyan, magasabb hőmérsékleten is működni képes szupravezető anyagot hozzanak létre, amely forradalmasítaná az áramellátás, vagy a Maglev vonatokhoz használt mágnesek technológiáját.
Az anyag új állapota a "swirlon", avagy örvény, megsérti Newton törvényeit A madárrajok hihetetlen sebességű együtt-mozgással járó látványos repülése a rovar-, és halrajokkal is összekapcsolhatóan egy újfajta aktív anyagot alkot, amelyet a kutatók “swirlonnak”, azaz örvény állapotnak neveztek el.
Skizofrén állapotba kerülnek az elektronok az egyik legszokatlanabb anyagállapotban Az elektronok kettős természetét ötven éve megjósolta egy Nobel-díjas elméleti fizikus. Most sikerült bizonyítékot találni a hipotézisre, meglettek a spinonok.