Введение
Тип "фракционализации", при котором электроны в твердых телах "расщепляются" на три квазичастицы. В физике конденсированного состояния спин-зарядное разделение – это необычное поведение электронов в некоторых материалах, в которых они "расщепляются" на три независимые частицы: спинон, орбитон и голон (или каргон). Электрон всегда теоретически можно рассматривать как связанное состояние этих трех частиц, при этом спинон несет спин электрона, орбитон – орбитальную степень свободы, а каргон – заряд, но при определенных условиях они могут вести себя как независимые квазичастицы. Теория спин-зарядного разделения берет начало в работе Син Итиро Томонаги 1950 года, который разработал приближенный метод для обработки одномерных взаимодействующих квантовых систем. Затем она была развита Хоакином Маздаком Луттингером в 1963 году с помощью точно решаемой модели, продемонстрировавшей спин-зарядное разделение. В 1981 году Ф. Дункан М. Холдейн обобщил модель Луттингера до концепции жидкости Томонага-Луттингера, показав теоретически, что физика модели Луттингера является общей чертой всех одномерных металлических систем. Хотя Холдейн рассматривал безспиновые фермионы, расширение на фермионы со спином 1/2 и связанное с этим спин-зарядное разделение было настолько очевидным, что обещанная последующая публикация так и не появилась. Спин-зарядное разделение – одно из самых необычных проявлений концепции квазичастиц. Это свойство контринтуитивно, поскольку ни спинон с нулевым зарядом и спином 1/2, ни каргон с зарядом минус один и нулевым спином нельзя сконструировать как комбинации электронов, дырок, фононов и фотонов, составляющих систему. Это пример фракционализации – явления, при котором квантовые числа квазичастиц не являются кратными квантовым числам элементарных частиц, а представляют собой их дроби. Те же теоретические идеи были применены в рамках изучения ультрахолодных атомов. В двухкомпонентном газе Бозе в одномерном пространстве сильные взаимодействия могут привести к максимальной форме спин-зарядного разделения.
In condensed matter physics, spin–charge separation is an unusual behavior of electrons in some materials in which they 'split' into three independent particles, the spinon, the orbiton and the holon (or chargon). The electron can always be theoretically considered as a bound state of the three, with the spinon carrying the spin of the electron, the orbiton carrying the orbital degree of freedom and the chargon carrying the charge, but in certain conditions they can behave as independent quasiparticles. The theory of spin–charge separation originates with the work of Sin Itiro Tomonaga who developed an approximate method for treating one dimensional interacting quantum systems in 1950. This was then developed by Joaquin Mazdak Luttinger in 1963 with an exactly solvable model which demonstrated spin–charge separation. In 1981 F. Duncan M. Haldane generalized Luttinger's model to the Tomonaga–Luttinger liquid concept whereby the physics of Luttinger's model was shown theoretically to be a general feature of all one dimensional metallic systems. Although Haldane treated spinless fermions, the extension to spin ½ fermions and associated spin–charge separation was so clear that the promised follow up paper did not appear. Spin–charge separation is one of the most unusual manifestations of the concept of quasiparticles. This property is counterintuitive, because neither the spinon, with zero charge and spin half, nor the chargon, with charge minus one and zero spin, can be constructed as combinations of the electrons, holes, phonons and photons that are the constituents of the system. It is an example of fractionalization, the phenomenon in which the quantum numbers of the quasiparticles are not multiples of those of the elementary particles, but fractions. The same theoretical ideas have been applied in the framework of ultracold atoms. In a two component Bose gas in 1D, strong interactions can produce a maximal form of spin–charge separation.
Наблюдение
Основываясь на теории физика Ф. Дункана М. Холдейна, разработанной в 1981 году, эксперты из Кембриджского и Бирмингемского университетов в 2009 году экспериментально доказали, что совокупность электронов, искусственно локализованных в небольшом объеме, расщепляется на спиноны и голоны из-за сильного взаимного отталкивания, обусловленного их одноименным зарядом. Команда исследователей, работающая в Advanced Light Source (ALS) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, наблюдала пиковые спектральные структуры, соответствующие разделению спина и заряда, за три года до этого.