Физики предложили искать энионы по создаваемому ими тепловому току

Теоретики предложили метод исследования энионной статистики квазичастиц в изоляторах, основанный на измерении создаваемого квазичастицами теплового тока. На величину тока влияет интерференция туннелирующих в интерферометре частиц, которая зависит от геометрии интерферометра и квантовой статистики переносчиков тепла. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

В квантовой механике вероятность обнаружить частицу в той или иной точке пространства определяется волновой функцией. Такая функция сложной системы зависит от координат всех входящих в ее состав частиц. Если размерность пространства, в котором движутся частицы, равна трем или более, то все частицы делятся на два типа — бозоны и фермионы. Если поменять местами два одинаковых бозона, то волновая функция не изменится, а если переставляются фермионы, то она меняет знак. В случае двумерного пространства частица может быть не только бозоном или фермионом, но и подчиняться более общей квантовой статистике — энионной. Если поменять местами два эниона, то их волновая функция приобретает комплексный фазовый множитель. Наше пространство трехмерно, так что энионы могут возникать только на поверхностях материалов в качестве квазичастиц.

Существует проверенный способ изучения энионной статистики заряженных квазичастиц, основанный на измерении осцилляций Ааронова—Бома в создаваемом ими электрическом токе, при изменении магнитного поля, в которое помещен материал. Поведение тока определяется энионным фазовым множителем. Недостатком этого метода является невозможность его использования для изучения незаряженных энионов.

Группа американских физиков-теоретиков под руководством Димы Фельдмана (Dima Feldman) из Университета Брауна предложила способ изучения энионной статистики незаряженных частиц, основанный на измерении теплового тока в интерферометрах Фабри—Перро и Маха—Цендера. Важное преимущество такого метода заключается в том, что в отличие от электрического тока, тепловой ток может течь в любом материале, если разные его участки имеют разную температуру.

В обоих экспериментальных установках нужно измерять термальный ток между двумя гранями на плоской поверхности вещества, находящегося при достаточно низкой температуре, при которой тепло переносится не фононами в объеме вещества, а квазичастицами на его поверхности. Геометрия граней такова, что на поверхности вещества возникают два тепловых контакта, в которых квазичастицы с одной грани могут туннелировать на другую. Волновые функции частиц, туннелирующих в местах контактов, интерферируют друг с другом, и детали интерференции зависят от квантовой статистики частиц, а также от геометрии установки. Тепловой ток между гранями, который можно измерить экспериментально, зависит от амплитуды туннелирования. Таким образом, измеряя термальный ток в двух разных интерферометрах, можно изучить квантовую статистику, которой подчиняются переносящие тепло квазичастицы.

Изучение незаряженных энионов важно не только из чисто теоретического интереса, но и потому что они потенциально могут использоваться для квантовых вычислений. Причина этого в том, что квантовые компьютеры, основанные на проводящих материалах, должны находиться при температурах, близких к абсолютному нулю, тогда как изолятор сохраняет нужные свойства при существенно более высоких температурах. О принципах работы квантовых компьютеров и их типах мы подробно писали в материале «Квантовое преследование».

Андрей Фельдман