En mecánica cuántica , el fraccionamiento es el fenómeno por el cual las cuasipartículas de un sistema no pueden construirse como combinaciones de sus constituyentes elementales. Uno de los ejemplos más antiguos y destacados es el efecto Hall cuántico fraccionario , en el que las partículas constituyentes son electrones pero las cuasipartículas transportan fracciones de la carga electrónica . [1] [2] La fraccionalización puede entenderse como el desconfinamiento de cuasipartículas que en conjunto se consideran componentes elementales. En el caso de la separación espín-carga , por ejemplo, el electrón puede verse como un estado unido de un ' espinón ' y un ' holón (o carga )', que bajo ciertas condiciones pueden quedar libres para moverse por separado.
La conductancia Hall cuantificada fue descubierta en 1980, relacionada con la carga del electrón. Laughlin propuso un fluido de cargas fraccionarias en 1983, para explicar el efecto Hall cuántico fraccionario (FQHE) observado en 1982, por el que compartió el Premio Nobel de Física de 1998. En 1997, los experimentos observaron directamente una corriente eléctrica de un tercio de carga. La quinta parte de la carga se detectó en 1999 y desde entonces se han detectado varias fracciones impares.
Más tarde se demostró que los materiales magnéticos desordenados formaban interesantes fases de espín. El fraccionamiento del espín se observó en hielos de espín en 2009 y en líquidos de espín en 2012.
Las cargas fraccionarias siguen siendo un tema activo en la física de la materia condensada. "Los estudios de estas fases cuánticas impactan la comprensión de la superconductividad y los aislantes con transporte superficial para computadoras cuánticas topológicas" .
Los efectos de muchos cuerpos en materiales condensados complicados conducen a propiedades emergentes que pueden describirse como cuasipartículas existentes en la sustancia. El comportamiento de los electrones en sólidos se puede considerar como magnones, excitones, huecos y cargas de cuasipartículas con diferente masa efectiva. Los espinones, los carganes y los anyones no pueden considerarse combinaciones de partículas elementales. Se han visto diferentes estadísticas cuánticas; Las funciones de onda de Anyons obtienen una fase continua a cambio: [3]
Se ha descubierto que muchos aisladores tienen una superficie conductora de estados gaseosos de electrones cuánticos 2D.
Los solitones en 1D, como el poliacetileno , conducen a medias cargas. [4] Se detectó separación de carga de espín en espines y holones en electrones en SrCuO 2 1D . [5] Se han estudiado cables cuánticos con comportamiento de fase fraccionada.
Los líquidos de espín con excitaciones de espín fraccionadas se producen en cristales magnéticos frustrados, como ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 ( herbertsmithita ) y en α-RuCl 3 . [6] También se han observado excitaciones fraccionarias de espín 1/2 en cadenas de espín cuántico de espín 1. [7] El hielo giratorio en Dy 2 Ti 2 O 7 y Ho 2 Ti 2 O 7 ha fraccionado la libertad de giro, lo que lleva a monopolos magnéticos desconfinados. [8] Deben contrastarse con cuasipartículas como los magnones y los pares de Cooper , que tienen números cuánticos que son combinaciones de los constituyentes. Los más famosos pueden ser los sistemas cuánticos Hall, que se producen en campos magnéticos elevados en materiales gaseosos de electrones 2D, como las heteroestructuras de GaAs. Los electrones combinados con vórtices de flujo magnético transportan corriente. El grafeno presenta fraccionamiento de carga.
Se han realizado intentos de extender el comportamiento fraccional a sistemas 3D. Se han explorado los estados superficiales en aisladores topológicos de diversos compuestos (por ejemplo, aleaciones de telurio , antimonio ) y cristales de metal puro ( bismuto ) [9] para determinar firmas de fraccionamiento.
