Staré zlaté časy. Biologové mívali svá zrnka hrachu a vydrželo jim to celé generace. Pak se jim začaly rozpadat na mnohem menší celky – buňky a v těch se vyjevila přehršel pohupujících se organel. Chromozomy se také neustále vrtí a dokonce i titěrná vlákna DNA v buněčném jádře jsou pěknými neposedy. Bez ustání se přeskupují a mrskají sebou, že to připomíná práskání bičem.
Fyzikové jsou na tom dost podobně. Původně měli elektrony za korpuskule. Pak u nich začali objevovat duální charakter. Na jedné straně se chovají jako částice konečných rozměrů, ale na straně druhé vykazují vlastnosti charakteristické pro vlnu. Jejich kvantově-mechanickým popisem se stal vlnový balík, který lze popsat vlnovou délkou majoritní vlny a velikostí vlnového balíku. Teď se elementární náboj elektronů začal drobit, alespoň pokud jde o průchod elektronů v některých pevných látkách. Jen tak se dá totiž řada pozorovaných věcí v nich vysvětlit. Třeba vznik Čerenkovova záření, nebo záhadné jevy v hluboko podchlazených látkách.
Vysvětlení mnoha jevů se už neobejde bez pojmu kvazičástice. Nejde jen o něco zvláštního, jako je třeba luminiscence, ale kvazičástice se již používají i k popisu šíření obyčejnho zvuku. Různé kvazičástice dostávají nálepky a tak se to v odborných časopisech hemží fonony, plazmony, excitony, magnony, polarony,... a protože ne všichni fyzikové jsou technokrati bez smyslu pro recesi, jednu si pojmenovali prostě jen „díra“.
Zprvu kvazičástice byly definovány jen jako jednočásticové nízkoenergetické excitace, jež mají na svědomí interagující elektrony. Teď se to poněkud zkomplikovalo zvláštním jejich chováním v látkách zvaných polovodiče. Na poli zvaném kvantová mechanika se totiž vyskytl jev, kterému se přezdívá „Hallův", a ten se dá objasnit jen kvazičásticemi s elektrickým nábojem, který už elementární není. Stává se jeho zlomkem. A právě to je obsahem nové francouzské studie, jejíž podrobnosti přinesl květnový časopis Nature Communications.
Tým fyziků vedený Gwendal Fève z Ecole Normale Supérieure v Paříži spolu s kolegy z Laboratoře fotoniky a nanostruktur v Marcoussis, v něm popisují experiment, který spíš připomíná studii fotonů, než elektronů. Když začali zjišťovat chování elektronu v čase odpovídajícím pikosekundám, zaznamenali na jednorozměrném vodiči jakýsi "rozpad elektronu". Změnily svou elektronovou vlnu na dva zcela oddělené pakety. Každý z takto vzniklých paketů potom nese polovinu původního náboje elektronu.
I když se frakcionalizace elektronu zkoumá už zhruba pět let, až nyní se podařilo tento jev prokázat na úrovni jednotlivého elektronu a také ho vizualizovat v čase. Dovolila to technika nazývaná Hong-Ou-Mandelův experiment. Tento přístup se již osvědčil při měření stupně podobnosti dvou fotonů. Zde se s ním porovnávaly dva napěťové impulsy jediného elektronu. Interferometr potřebný k takovému experimentu nebyl problém, limitním faktorem byl emitor, který by byl schopný dodávat jednotlivé elektrony. Naštěstí se ho také už podařilo vyvinout. Není náhodou že při jeho zrodu asistovali někteří pracovníci nynějšího Fèveho týmu.
Frakcionalizace elektronu nelze pozorovat všude. Běžnou je jen na některých materiálech. Ani vlastní podstata tohoto děje zatím není zcela objasněna. Francouzští vědci pozorovaný jev vysvětlují následovně. Z emitoru uvolněné elektrony cestují podél jednorozměrného vodiče a Coulombova interakce (interakce mezi nabitými částicemi) zajistí excitaci na vnější a vnitřní straně vodiče. Tím vzniknou dva impulsy se stejným znaménkem (nábojem) a dva s opačným znaménkem (v součtu jsou neutrální). Protože vybuzené dvojice cestují různou rychlostí (což je také důsledek Coulombovských interakcí) vede to k tomu, že místo jednoho elektronu (vlnového paketu) čidla zaznamenají dva impulsy, časově oddělené.
Finální stav už lze jen obtížně nazývat jako jedno-částicový. Nově se to popisuje jako stav složený z excitací. Pod touto destrukcí je „podepsaná“ dekoherence elektronového vlnového paketu.
Nynější porcování elektronu v mnohém připomíná nedávná zjištění k nimž se dospělo na poli světla. U něj se již s kvantovými stavy fotonů svižně manipuluje. Machrují s nimi výrobci mikroskopů, měřících přístrojů, šifranti a dešifranti a snaží se i vizionáři pláště neviditelnosti.
Nynější poznatek elektronové frakcionalizace prý významně posunul hranice poznání v oblasti fyziky pevných látek. Nám prostým uživatelům elektrických vymožeností by měl dát možnost řídit jednoelektronové proudy v jednorozměrných vodičích. To je pochopitelně míněno jako nadsázka. Časem bychom to měli pocítit v další miniaturizaci elektronických součástek a zlevnění chytrých telefonů. A když ne na jejich zlevnění, tak prý aspoň na razantním povýšení jejich inteligence.
Literatura
V. Freulon, et al. "Hong-Ou-Mandel experiment for temporal investigation of single-electron fractionalization." Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms7854