Η διάσπαση του ηλεκτρονίου σε οrbiton και spinon

Ο Thorsten Schmitt και οι συνεργάτες του γιορτάζουν την ανακάλυψη του orbiton

Το ηλεκτρόνιο ως γνωστόν θεωρείται ως ένα από τα στοιχειώδη σωματίδια του Σύμπαντος, όπως τα κουάρκ, τα νετρίνα κ.λ.π.
Στοιχειώδη σωματίδια σημαίνει ότι δεν έχουν δομή – δεν έχουν άλλα συστατικά - άρα δεν μπορούν να διαχωριστούν.
Κι όμως ερευνητές είχαν ήδη ανακαλύψει δυο τρόπους διαχωρισμού των ηλεκτρονίων σε ψευδο-σωματίδια ή ημι-σωματίδια (quasi-particles), τα οποία μπορούν να κινούνται ως ανεξάρτητα σωματίδια με τα δικά τους χαρακτηριστικά. Τώρα μια άλλη ομάδα επιστημόνων επιβεβαιώνει με δημοσίευση στο περιοδικό Nature και έναν τρίτο τρόπο διαχωρισμού των ηλεκτρονίων σε quasi-particles, τα orbitons, τα οποία συμπεριφέρονται σαν ανεξάρτητα σωματίδια, αλλά δεν μπορούν να εγκαταλείψουν το υλικό στο οποίο δημιουργήθηκαν αποκτώντας πλήρη ανεξαρτησία.
Είχε προηγηθεί η ανακάλυψη των ψευδο-σωματιδίων: του «holon» και του «spinon». 
Το 1996 για πρώτη φορά οι επιστήμονες είχαν διαχωρίσει ένα ηλεκτρόνιο σε «spinon» και «holon» και τώρα κατόρθωσαν να «διασπάσουν» το ηλεκτρόνιο σε «orbiton» και «spinon». Το επόμενο και τελικό βήμα θα είναι ο διαχωρισμός ενός ηλεκτρονίου ταυτόχρονα και στα τρία «συστατικά» του: holon, spinon και orbiton.
Τα quasiparticles διευκολύνουν του φυσικούς να περιγράφουν κβαντομηχανικά την συλλογική συμπεριφορά ηλεκτρονίων ή ατόμων σε στερεά υλικά. Ίσως το πιο γνωστό παράδειγμα ψευδο-σωματιδίου είναι η «οπή», που περιγράφει την απουσία ηλεκτρονίων σε έναν ημιαγωγό, ως ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο.

Το orbiton είχε προβλεφθεί θεωρητικά πριν από μια δεκαετία. Πρόκειται για μια συλλογική διέγερση των ηλεκτρονίων σε ένα μονοδιάστατο στερεό που συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένα ηλεκτρόνιο - με τροχιακή στροφορμή, αλλά χωρίς σπιν ή ηλεκτρικό φορτίο.
Η ερευνητική ομάδα του Thorsten Schmitt χρησιμοποίησε τις εγκαταστάσεις Swiss Light Source του ινστιτούτου Paul Scherrer στην Ελβετία για να βομβαρδίσει με ακτίνες-Χ έναν στόχο από οξείδιο του στροντίου - χαλκού. Η ανίχνευση και η ανάλυση του φωτός που επανεκπέμπεται στη συνέχεια από το υλικό, αποκάλυψε την νέα συμπεριφορά των ηλεκτρονίων ως orbitons.
Στο πείραμά τους οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το οξείδιο Sr ₂CuO₃, το οποίο περιέχει μια 1D αλυσίδα ομάδων οξειδίου του χαλκού. Σε αυτές τις ομάδες, η θεμελιώδης κατάσταση των εξωτερικών ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζονται έτσι ώστε τα σπιν να εναλλάσσονται, αλλά μπορούν να διεγερθούν σε διαφορετικές καταστάσεις διαμέσου της σκέδασης των φωτονίων της δέσμης των ακτίνων Χ.

Όταν ένα φωτόνιο των ακτίνων Χ αλληλεπιδρά με τον στόχο, ένα ηλεκτρόνιο εναλλάσσει την κατεύθυνση του σπιν του με το διπλανό του. Έτσι η εναλλαγή των σπιν γίνεται ασυνεχής. Οι ερευνητές παρατήρησαν δύο διακριτές ενέργειες διέγερσης: η μία αφορά αυτή την τοπική διαταραχή της διάταξης των σπιν των ηλεκτρονίων – το spinon - και την άλλη που σχετίζεται με τη συλλογική συμπεριφορά όλων των ηλεκτρονίων στην αλυσίδα του οξείδιου του χαλκού, και η οποία είναι το orbiton.

Στην πραγματικότητα, ο κβαντικός αριθμός τροχιακής στροφορμής του ηλεκτρονίου αντιστοιχεί στο χωρικό σχήμα του τροχιακού [του ηλεκτρονίου], και σε πραγματικά συστήματα τα τροχιακά σε ένα πλέγμα συμπλέκονται ισχυρά και συμπεριφέρονται σαν ένα πραγματικό quasiparticle, ένα orbiton, που μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με την χωρική κατανομή των ηλεκτρονίων.
Το «spinon» σχετίζεται την ιδιότητα του σπιν (ιδιοπεριστροφή), το «holon» με το φορτίο του ηλεκτρονίου και το «orbiton» με την ιδιότητα της τροχιακής στροφορμής.
Αυτά τα τρία quasiparticles του ίδιου ηλεκτρονίου μπορούν να κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες και προς διαφορετικές κατευθύνσεις μέσα στο στερεό. Αυτό οφείλεται στην κυματική συμπεριφορά του ηλεκτρονίου, όταν περιορίζεται μέσα σε ένα υλικό, οπότε μπορεί να διαχωριστεί σε επιμέρους κύματα (τα quasiparticles) που μεταφέρουν ξεχωριστά τις βασικές ιδιότητές του.
Η πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης των orbitons αναμένεται να προσφέρει νέες γνώσεις σχετικά με την υπεραγωγιμότητα στις υψηλές θερμοκρασίες, η οποία εμφανίζεται συνήθως σε υλικά που περιέχουν οξείδια του χαλκού.

physicsworld.com -www.bbc.co.uk