據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)、《自然》網(wǎng)站等媒體4月18日報(bào)道，最近，一個由瑞士保羅·謝爾研究所實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和德國德累斯頓固體和材料研究所理論物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一個電子分裂成兩個獨(dú)立的準(zhǔn)粒子：自旋子（spinon）和軌道子（orbiton）。這一結(jié)果發(fā)表在近日的《自然》雜志上。
以往人們認(rèn)為電子是一種基本粒子，無法分裂為更小部分。上世紀(jì)80年代，物理學(xué)家預(yù)言，電子以原子的一維鏈形式存在，可以分裂成3個準(zhǔn)粒子：空穴子攜帶電子電荷，自旋子攜帶旋轉(zhuǎn)屬性（一種與磁性有關(guān)的內(nèi)在量子性質(zhì)），軌道子攜帶軌道位。1996年，物理學(xué)家將電子空穴和自旋子分開，自旋和軌道這兩種性質(zhì)伴隨著每一個電子。
然而，新實(shí)驗(yàn)觀察到這兩種性質(zhì)分開了——電子衰變?yōu)閮蓚€不同部分，各自攜帶電子的部分屬性：一個是自旋子，具有電子的旋轉(zhuǎn)屬性；另一個是軌道子，具有電子繞核運(yùn)動的屬性，但這些新粒子都無法離開它們的物質(zhì)材料。
研究人員用瑞士光源（Swiss Light Source）的X射線對一種叫做Sr2CuO3的鍶銅氧化物進(jìn)行照射，讓其中銅原子的電子躍遷到高能軌道，相應(yīng)電子繞核運(yùn)動的速度也就越高。他們發(fā)現(xiàn)，電子被X射線激發(fā)后分裂為兩部分：一個是軌道子，產(chǎn)生軌道能量；另一個是自旋子，攜帶電子的自旋性及其他性質(zhì)。Sr2CuO3有著特殊性質(zhì)，材料中的粒子會被限制只能以一個方向運(yùn)動，向前或向后。通過比較X射線照射材料前后的能量與動量的變換，可以追蹤分析新生粒子的性質(zhì)。
實(shí)驗(yàn)小組領(lǐng)導(dǎo)托斯登·施密特說：“這些實(shí)驗(yàn)不僅需要很強(qiáng)的X射線，把能量收縮在極狹窄范圍，才能對銅原子的電子產(chǎn)生影響，還要有極高精度的X射線探測儀。”
“這是首次觀察到電子分成了獨(dú)立的自旋子和軌道子。現(xiàn)在我們知道了怎樣找到它們。下一步是同時(shí)產(chǎn)生出空穴子、自旋子和軌道子來。”理論小組領(lǐng)導(dǎo)杰羅恩·范德·布林克說，“在材料中，這些準(zhǔn)粒子能以不同的速度、完全不同的方向運(yùn)動。這是因?yàn)樗鼈儽幌拗圃诓牧现袝r(shí)，性質(zhì)就像波。當(dāng)被激發(fā)時(shí)，波分裂為多個，每個攜帶電子的不同特征，但它們不能在材料以外獨(dú)立存在。”
觀察到電子分裂將對一些前沿領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響，如高溫超導(dǎo)和量子計(jì)算機(jī)。Sr2CuO3中的電子和銅基超導(dǎo)材料中的電子有著相似的性質(zhì)，該研究為高溫超導(dǎo)研究提供了一條新途徑。此外，研究軌道子有助于開發(fā)量子計(jì)算機(jī)。“同時(shí)用自旋子和軌道子來編碼和操控信息，這可能是未來發(fā)展的方向。”英國牛津大學(xué)物理學(xué)家安德魯·波斯羅伊德說，“量子計(jì)算機(jī)的一個主要障礙是量子效應(yīng)會在完成計(jì)算之前被破壞。而軌道子的躍遷速度只要幾飛秒（1飛秒=10的負(fù)15次方秒），這樣的速度為制造現(xiàn)實(shí)量子計(jì)算機(jī)帶來了更多機(jī)會。”(新華網(wǎng))