Φυσικοί διασπούν το ηλεκτρόνιο

Αν και αποτελούν θεμελιώδη σωματίδια, τα ηλεκτρόνια υπό πολύ συγκεκριμένες συνθήκες φαίνονται να επιδεικνύουν διχασμένη προσωπικότητα – χωρίζονται σε τρία ξεχωριστά σωματίδια με διαφορετικές ιδιότητες. Οι επιστήμονες είχαν εντοπίσει τα δυο «κρυφά» πρόσωπά τους, το τρίτο όμως τους διέφευγε πεισματικά. Τώρα μια ομάδα ερευνητών κατόρθωσε να το «δει» ανοίγοντας ένα νέο κεφάλαιο όχι μόνο στα σχολικά βιβλία της Φυσικής αλλά και στην έρευνα της υπεραγωγιμότητας και των κβαντικών υπολογιστών.

Η διχασμένη προσωπικότητα

Επί δεκαετίες η θεωρία της Φυσικής υπαγόρευε ότι ένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να υποδιαιρεθεί σε μικρότερες οντότητες –αυτός ακριβώς είναι και ο λόγος για τον οποίο έχει κερδίσει τον τίτλο του «θεμελιώδους σωματιδίου».

Στη δεκαετία του 1980 ωστόσο διατυπώθηκε η άποψη ότι τα ηλεκτρόνια μιας μονοδιάστατης αλυσίδας ατόμων μπορούν να υποδιαιρεθούν σε τρία είδη ημισωματιδίων (ή αλλιώς οιωνεί σωματιδίων), το καθένα εκ των οποίων «αποκτά» μια ξεχωριστή ιδιότητά τους: τα ολόνια (holons) φέρουν το ηλεκτρικό φορτίο των ηλεκτρονίων, τα σπινόνια (spinons) φέρουν την ιδιοστροφορμή τους (σπιν), ενώ τα ορμπιτόνια (orbitons) φέρουν την τροχιακή στροφορμή τους –δηλαδή την ενέργεια της τροχιάς τους γύρω από τον πυρήνα του ατόμου.

Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηλεκτρόνια όταν περιορίζονται σε μια μόνο διάσταση μέσα σε ένα υλικό συμπεριφέρονται ως κύματα, υιοθετώντας «αλλόκοτες» συμπεριφορές. Όταν ένα ηλεκτρόνιο υπό τέτοιες συνθήκες διεγερθεί το κύμα του διαιρείται στα τρία, παράγοντας τρία διαφορετικά κύματα εκ των οποίων το καθένα παίρνει ένα διαφορετικό χαρακτηριστικό του αρχικού.

Το κάθε ημισωματίδιο έχει δηλαδή μια ιδιότητα του ηλεκτρονίου – την οποία και μπορεί να μεταφέρει στα γειτονικά σωματίδια – χωρίς όμως να διαθέτει τις άλλες. Αυτά τα τρία «πρόσωπα» του διχασμένου ηλεκτρονίου δεν μπορούν ωστόσο να υπάρξουν έξω από το υλικό στο οποίο δημιουργούνται και είναι πολύ δύσκολο να απομονωθούν.

Ο εντοπισμός του τρίτου «προσώπου»

Το 1996 οι επιστήμονες κατόρθωσαν να διαιρέσουν ένα ηλεκτρόνιο σε ένα ολόνιο (holon) και ένα σπινόνιο, επιβεβαιώνοντας ένα μέρος της θεωρίας. Τώρα μια ομάδα ερευνητών από τη Γερμανία και την Ελβετία κατόρθωσε να χωρίσει το θεμελιώδες σωματίδιο σε ένα σπινόνιο (spinon) και ένα ορμπιτόνιο (orbiton), αποκαλύπτοντας και το τρίτο πρόσωπο των ηλεκτρονίων.

Όπως περιγράφουν στη μελέτη τους, η οποία δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature», οι φυσικοί χρησιμοποίησαν τον ελβετικό επιταχυντή Swiss Light Source (SLS) για να «χτυπήσουν» με μια ισχυρή δέσμη φωτονίων ακτίνων Χ ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο σε ένα δείγμα μονοδιάστατου οξειδίου (cuprate) του στροντίου Sr2CuO3 – ενός υπεραγώγιμου υλικού. Η ανάλυση των μεταβολών που προέκυπταν στη δέσμη των φωτονίων τούς «έδειξε» το ορμπιτόνιο μέσω της επιρροής του στην τροχιά των γειτονικών του ηλεκτρονίων κατά μήκος ολόκληρης της αλυσίδας.

Η ανακάλυψη ήταν σχετικά τυχαία: στόχος των φυσικών ήταν, όπως είπαν, να μελετήσουν τις διεγέρσεις των σπινονίων και το γεγονός ότι, δίπλα στα σπινόνια, είδαν για πρώτη φορά και τα ορμπιτόνια αποτέλεσε ένα παραπάνω από ευχάριστο «μπόνους». «Το επόμενο βήμα θα είναι να παραγάγουμε το ολόνιο, το σπινόνιο και το ορμπιτόνιο ταυτοχρόνως» δήλωσε ο J. van den Brink, από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής της Στερεάς Κατάστασης της Δρέσδης, εκ των επικεφαλής της μελέτης, μιλώντας στην ηλεκτρονική ειδησεογραφική έκδοση του «Nature».