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  据物理学家组织网、《自然》网站等媒体4月18日报道,最近,一个由瑞士保罗谢尔研究所实验物理学家和德国德累斯顿固体和材料研究所理论物理学家领导的国际研究小组通过实验发现,一个电子分裂成两个独立的准粒子:自旋子(spinon)和轨道子(orbiton)。这一结果发表在近日的《自然》杂志上。

  以往人们认为电子是一种基本粒子,无法分裂为更小部分。上世纪80年代,物理学家预言,电子以原子的一维链形式存在,可以分裂成3个准粒子:空穴子携带电子电荷,自旋子携带旋转属性(一种与磁性有关的内在量子性质),轨道子携带轨道位。1996年,物理学家将电子空穴和自旋子分开,自旋和轨道这两种性质伴随着每一个电子。

  然而,新实验观察到这两种性质分开了——电子衰变为两个不同部分,各自携带电子的部分属性:一个是自旋子,具有电子的旋转属性;另一个是轨道子,具有电子绕核运动的属性,但这些新粒子都无法离开它们的物质材料。

  研究人员用瑞士光源(Swiss Light Source)的X射线对一种叫做Sr2CuO3的锶铜氧化物进行照射,让其中铜原子的电子跃迁到高能轨道,相应电子绕核运动的速度也就越高。他们发现,电子被X射线激发后分裂为两部分:一个是轨道子,产生轨道能量;另一个是自旋子,携带电子的自旋性及其他性质。Sr2CuO3有着特殊性质,材料中的粒子会被限制只能以一个方向运动,向前或向后。通过比较X射线照射材料前后的能量与动量的变换,可以追踪分析新生粒子的性质。

  实验小组领导托斯登施密特说:“这些实验不仅需要很强的X射线,把能量收缩在极狭窄范围,才能对铜原子的电子产生影响,还要有极高精度的X射线探测仪。”

  “这是首次观察到电子分成了独立的自旋子和轨道子。现在我们知道了怎样找到它们。下一步是同时产生出空穴子、自旋子和轨道子来。”理论小组领导杰罗恩范德布林克说,“在材料中,这些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向运动。这是因为它们被限制在材料中时,性质就像波。当被激发时,波分裂为多个,每个携带电子的不同特征,但它们不能在材料以外独立存在。”

  观察到电子分裂将对一些前沿领域产生重要影响,如高温超导和量子计算机。Sr2CuO3中的电子和铜基超导材料中的电子有着相似的性质,该研究为高温超导研究提供了一条新途径。此外,研究轨道子有助于开发量子计算机。“同时用自旋子和轨道子来编码和操控信息,这可能是未来发展的方向。”英国牛津大学物理学家安德鲁波斯罗伊德说,“量子计算机的一个主要障碍是量子效应会在完成计算之前被破坏。而轨道子的跃迁速度只要几飞秒(1飞秒=10的负15次方秒),这样的速度为制造现实量子计算机带来了更多机会。”