作者：《自然》杂志的泽雅·梅拉利
在技术精湛的壮举中，凝聚态物理学家成功地探测到了电子的第三个难以捉摸的组成部分——它的“轨道子”。这一成就可能有助于解决关于高温超导起源的长期谜团，并有助于构建量子计算机。孤立的电子不能分裂成更小的成分，这使得它们被指定为基本粒子。但在 20 世纪 80 年代，物理学家预测，一维原子链中的电子可以分裂成三种准粒子：携带电子电荷的“空穴子”、携带电子自旋（一种与磁性相关的内在量子特性）的“自旋子”和携带其轨道位置的“轨道子”。
德国德累斯顿理论固态物理研究所的凝聚态物理学家耶伦·范登布林克说：“这些准粒子可以以不同的速度甚至在材料中不同的方向移动。” 原子电子之所以具有这种能力，是因为当它们被限制在材料内部时，它们的行为就像波一样。“当被激发时，波会分裂成多个波，每个波都携带电子的不同特征；但它们不能独立存在于材料之外，”他解释说。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
1996 年，物理学家将电子分裂成空穴子和自旋子。现在，范登布林克和他的同事们将电子分解成了轨道子和自旋子，正如今天在《自然》杂志上报道的那样。该团队通过向锶酸铜一维样品中的单个电子发射 X 射线光子束来创建准粒子。该光束将电子激发到更高的轨道，从而导致光束在此过程中损失了一部分能量，然后反弹。该团队测量了反弹光束中散射光子的数量，以及它们的能量和动量，并将其与光束特性的计算机模拟进行了比较。研究人员发现，当光子的能量损失在约 1.5 到 3.5 电子伏特之间时，光束的光谱与他们对创建了轨道子和自旋子并在材料中沿相反方向移动的情况的预测相匹配。
范登布林克说：“下一步将是同时产生空穴子、自旋子和轨道子。”
英国牛津大学的物理学家安德鲁·布思罗伊德赞扬了该团队的技术实力。他说：“为了检测到这一点，他们挑选出了光束能量中大约百万分之一的偏移，这非常困难。”
荷兰莱顿大学的凝聚态物理学家扬·扎嫩补充说，更深入地研究轨道子可能有助于解决一个长达数十年的谜团，即某些材料，特别是铁砷化物，如何在高温下超导——或者允许电力无电阻地流动。物理学家认为，这个过程可以用轨道子的运动来解释。扎嫩说：“我个人对这种解释持怀疑态度，但现在有一种方法可以通过观察轨道子的移动方式来检验它。”
轨道子也可能有助于构建量子计算机的探索——这将利用粒子的量子特性来比经典计算机更快地执行计算。布思罗伊德说：“这似乎是未来发展的方向——在自旋子和轨道子中编码和操作信息。” 量子计算的一个主要障碍是量子效应通常会在计算执行之前被破坏。他说：“这里的优势在于轨道跃迁非常快，只需飞秒。” “速度如此之快，以至于它可能会为制造一台真正的量子计算机创造更好的机会。”