En mecánica cuántica , la fraccionación es el fenómeno por el cual las cuasipartículas de un sistema no pueden construirse como combinaciones de sus constituyentes elementales. Uno de los primeros y más destacados ejemplos es el efecto Hall cuántico fraccionario , donde las partículas constituyentes son electrones pero las cuasipartículas llevan fracciones de la carga del electrón . [1] [2] La fraccionación puede entenderse como el desconfinamiento de cuasipartículas que juntas se consideran que comprenden los constituyentes elementales. En el caso de la separación de espín-carga , por ejemplo, el electrón puede verse como un estado ligado de un " espinón " y un " holón (o cargón )", que bajo ciertas condiciones pueden volverse libres de moverse por separado.
La conductancia Hall cuantizada se descubrió 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 en 1998. En 1997, los experimentos observaron directamente una corriente eléctrica de un tercio de la carga. La carga de un quinto se observó en 1999 y desde entonces se han detectado varias fracciones impares.
Posteriormente se demostró que los materiales magnéticos desordenados formaban fases de espín interesantes. Se observó fraccionamiento de espín 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 inciden en la comprensión de la superconductividad y de los aislantes con transporte superficial para las computadoras cuánticas topológicas .
Los efectos de muchos cuerpos en materiales condensados complejos conducen a propiedades emergentes que pueden describirse como cuasipartículas existentes en la sustancia. El comportamiento de los electrones en sólidos puede considerarse como magnones, excitones, huecos y cargas de cuasipartículas con diferentes masas efectivas. Los espinones, los cargones y los aniones no pueden considerarse combinaciones de partículas elementales. Se han observado diferentes estadísticas cuánticas; las funciones de onda de los aniones obtienen a cambio una fase continua: [3]
Se ha descubierto que muchos aislantes tienen una superficie conductora de estados gaseosos de electrones cuánticos 2D.
Los solitones en 1D, como el poliacetileno , conducen a cargas medias. [4] Se detectó la separación de espín-carga en espinones y holones en electrones en SrCuO 2 1D . [5] Se han estudiado cables cuánticos con comportamiento de fase fraccionaria.
Los líquidos de espín con excitaciones de espín fraccionales ocurren en cristales magnéticos frustrados, como ZnCu3 ( OH) 6Cl2 ( herbertsmithita ), y en α-RuCl3 . [ 6 ] También se han observado excitaciones de espín fraccionales 1/2 en cadenas de espín cuántico de espín 1. [7] El hielo de espín en Dy2Ti2O7 y Ho2Ti2O7 tiene libertad de espín fraccionalizada, lo que lleva a monopolos magnéticos desconfinados. [ 8 ] Deben contrastarse con cuasipartículas como magnones y pares de Cooper , que tienen números cuánticos que son combinaciones de los constituyentes. Los más famosos pueden ser los sistemas Hall cuánticos, que ocurren en campos magnéticos altos en materiales de gas de electrones 2D como heteroestructuras de GaAs. Los electrones combinados con vórtices de flujo magnético transportan corriente. El grafeno exhibe fraccionamiento de carga.
Se han realizado intentos para extender el comportamiento fraccional a sistemas 3D. Se han explorado los estados de superficie en aislantes topológicos de varios compuestos (por ejemplo, aleaciones de telurio , antimonio ) y cristales de metal puro ( bismuto ) [9] para identificar firmas de fraccionamiento.
