分裂的电子.PDF

第 35卷第 3期 大 学 物 理 Vo1．35No．3 2016年 3月 COLLEGE PHYSICS Mar．20l6 分裂的电子 尤文龙，周丽萍，高 雷 (苏州大学 物理与光 电 ·能源学院，江苏 苏州 215006) 摘要 ：电子是组成世界万物的一种基本粒子．其 电荷及 自旋 自由度在电子处于游离状态时牢不可分 ．但在某些低维强关联体 系中，电子与其他粒子的相互作用会导致两种不同准粒子 的出现．其中一种具有非零的正电荷 ，但 自旋 自由度为零 ，称为空穴子 ． 另外一种准粒子具有正好相反的性质 ，即其 电荷为零 ，然而 自旋等于 电子 的 自旋 ，被称为 自旋子．这种现象被形象地称为 电子 的 电荷一自旋分离，并被用来解释高温超导电性．最近，空穴子和 自旋子的存在进一步得到了实验的证实．此外实验中还观察到另外 一 种准粒子，它只携带了电子绕核运动的属性，被称为轨道子．在本文中，我们将结合实验，对于这些有趣的现象做一介绍． 关键词 ：低维强关联电子体系；准粒子 ；自旋子 ；空穴子 ；轨道子 中图分类号 ：O469 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—0712(2016)03—0001+04 电子是构成我们这个精彩纷呈的世界的一种基 阱内的电子而得到的实验结果 ，物理学家推断 电子 本粒子．1891年 ，英 国物理 学家乔 治 ·斯托 尼 半径 的上限为 10。m．从现有理论论证 ，电子是很稳 (GeorgeJohnstoneStoney)提 出用 “电子”一词来命 定的：电子是质量最轻的带电粒子 ，它的衰变会违反 名电荷的最小单位 ，但一直到了 1897年剑桥大学卡 电荷守恒定律．电子平均寿命 的实验最低 限是 4．6× 文迪许实验室的约瑟夫 ·汤姆孙 (JosephThomson) 10 年．想想 ，宇宙的年龄才不过 137亿年呢!在实 观察到阴极射线在电场中的偏转 ，才真正从实验上 验室操控条件下，电子 的特征性质 ，像质量 、自旋和 确认了电子 的存在 ¨．至此 ，科学家们打开 了原子 电荷等等，都可 以加 以测量检验．众所周知 ，电子携 微观世界的大门．汤姆孙也为此获得 了 1906年的诺 带基本电荷电量 ：一1．602x10。。C，且带有 1／2自旋 ， 贝尔物理学奖．科技发展百年至今 ，电子 的应用充 是一种费米子．因此 ，根据泡利不相容原理 ，任何两 斥于各个领域．从早期 的CRT显示器，到 目前广泛 个电子都不能处于同样 的状态． 应用的晶体管 ，五花八 门的电子元件与大众 的生活 在凝聚态物理中，电子的身影无处不在．移动于 息息相关 ，譬如近来年轻人的新宠 iPhone6，就是 真空的独立 电子称为 自由电子．不 同于 自由电子 ，在 电子产业的杰作．同时，电子的波长 比可见光 的波 绝缘体 中所有 的电子局域束缚于各 自所属的原子 长短 的多，它可帮助人类看到更微观 的结构．比 内．可是在金属中，电子的物理行为却有点像 自由电 如 ，电子显微镜 的分辨率可 以低 于 0．05nm，能够 子 ，在电场的作用下仍可 以自由地移动．实际而言， 清楚地观测到个别原：，远胜于普通 的光学显微 这些在金属 内的电子是准电子 ，所拥有的电荷量、自 镜 的分辨率 (200nm：}．此外 ，电子束可 以高分辨 旋和磁矩 ，与真实 电子的等值 ，但是有效质量不等 率地实现焊接工件 、蚀刻半导体 、杀菌甚至照射浅 值．在朗道费米液体理论里，由于泡利不相容原理和 表性肿瘤等等． 静 电库仑作用 ，电子会排斥其周围近邻的电子 ，这就 在粒子物