The wonder of splitting electrons

ELECTRONS ARE the most elementary of elementary particles. In fundamental physics they appear as structureless points where definite amounts of mass, electric charge, and angular momentum (or “spin”) reside. From that meager description, the stringent rules of quantum mechanics and relativity produce the splendid building block that dominates chemistry and—of course—electronics. Not long ago, the outrageous idea that electrons, when injected into the right sort of material, would break into other objects seemed as far-fetched to most right-thinking physicists as the idea that the Earth moves seemed to sober natural philosophers in the time of Copernicus. Yet the Earth moves—and electrons do break apart. That shocking possibility emerged in the 1980s, in studies of an exotic state of matter known as the fractional quantum Hall effect. This effect occurs when extremely pure, thin layers of the right semiconductors, embedded within the right insulators, are subjected to extremely high magnetic fields at extremely low temperatures. The original Hall effect, named after the 19th-century physicist Edwin Hall, refers to the appearance of a sideways electric current in response to an applied voltage in this kind of setup. It provides a convenient way to translate between electrical effects and magnetic ones, and is at the heart of the operation of many useful devices including speedometers and anti-lock brakes. In the fractional quantum Hall effect, the currents are both unusually small and unusually stable. Those features indicate that the particles that make the current have weird properties: their flow is unusually orderly, yet each one carries little charge. In the simplest case, the apparent charge is one-third that of an electron, which indicates that electrons injected into the material layer have fragmented into three equal pieces. Until quite recently, electron fractionalization had the air of a scientific curiosity. Because it challenged traditional wisdom successfully, professional physicists paid close attention. But practical applications seemed remote, because the effect was visible only in difficult experiments. Recently, however, interest in fractionated electrons has exploded, because it turns out that they have a kind of collective memory. To put this more concretely: After you move them around one another, their subsequent behavior reliably reflects how you treated them. Because of this “memory,” fractional electrons—known as anyons—are promising ingredients for building up and storing quantum information, and ultimately for making quantum computers. Quantum information, while potentially very rich, is also very delicate. To use it for practical purposes, we need embodiments that combine complexity with physical toughness. Anyons could fit the bill. People are making progress by making them in more user-friendly forms, learning how to move them around efficiently, and probing their behavior—in essence, giving them things to remember and getting them to display the results. This work has expanded beyond the borders of academia; Microsoft and Google are heavily involved. The anyon story is a lovely example of the value of curiosity-driven research. Exploring surprising phenomena for their own sake gives profound joy to the people who do it. That is valuable in itself. But there’s sometimes (much) more. Just as only a small proportion of adventurous startups make it big, few wild intellectual adventures blossom into breakthrough technologies. In either case, lots of things can go wrong or fizzle out. But big payoffs from pure research, even though they are rare, make big investment in it profitable overall.

source:WSJ

شگفتی تقسیم الکترون ها

الکترون ها اساسی ترین ذرات بنیادی هستند. در فیزیک بنیادی آنها به عنوان نقاط بدون ساختار ظاهر می شوند که در آن مقادیر معینی از جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه ای (یا "اسپین") در کنار هم وجود دارند. از این توصیف ناچیز، قوانین دقیق مکانیک کوانتومی و نسبیت، بلوک‌های ساختمانی باشکوهی را ایجاد می‌کنند که بر شیمی و - البته - الکترونیک مسلط هستند. چندی پیش، این ایده ظالمانه که وقتی الکترون ها به مواد مناسب تزریق می شوند، به اجسام دیگر نفوذ می کنند، برای اکثر فیزیکدانان درست اندیش به همان اندازه که برای فیلسوفان طبیعی به نظر می رسید، دور از ذهن به نظر می رسید. که زمین حرکت می کند اما در زمان کوپرنیک، زمین حرکت می کند و الکترون ها از هم جدا می شوند. این احتمال تکان دهنده در دهه 1980 در مطالعات یک حالت عجیب از ماده به نام اثر هال کوانتومی کسری پدیدار شد. این اثر زمانی رخ می دهد که لایه های بسیار خالص و نازک از نیمه هادی های مناسب، محصور در عایق های مناسب، در معرض میدان های مغناطیسی بسیار بالا در دماهای بسیار پایین قرار گیرند. اثر هال اصلی که به نام فیزیکدان قرن نوزدهم، ادوین هال نامگذاری شده است، به ظهور یک جریان الکتریکی جانبی در پاسخ به ولتاژ اعمال شده در این نوع آرایش اشاره دارد. این یک روش راحت برای ترجمه بین اثرات الکتریکی و مغناطیسی است و در قلب عملکرد بسیاری از دستگاه های مفید از جمله سرعت سنج ها و ترمزهای ضد قفل قرار دارد. در اثر هال کوانتومی کسری، جریان ها به طور غیرعادی کوچک و غیرعادی پایدار هستند. این ویژگی‌ها نشان می‌دهد که ذرات تشکیل‌دهنده جریان دارای اتصالات عجیب و غریب هستند: جریان آنها به طور غیرعادی منظم است، اما هر کدام دارای بار کمی هستند. در ساده ترین حالت، بار ظاهری یک سوم الکترون است که نشان می دهد الکترون های تزریق شده به لایه ماده به سه قسمت مساوی تقسیم می شوند. تا همین اواخر، تکه تکه شدن الکترون یک کنجکاوی علمی بود. از آنجایی که با موفقیت خرد متعارف را به چالش کشید، فیزیکدانان حرفه ای توجه زیادی به آن کردند. اما کاربردهای عملی دور به نظر می رسید، زیرا این اثر تنها در آزمایش های دشوار قابل مشاهده بود. اما اخیراً علاقه به الکترون های تکه تکه شده افزایش یافته است، زیرا مشخص شده است که آنها نوعی حافظه جمعی دارند. به بیان دقیق تر: بعد از اینکه آنها را در اطراف یکدیگر حرکت می دهید، رفتار بعدی آنها یک شاخص قابل اعتماد از نحوه رفتار شما با آنها است. به دلیل این «حافظه»، الکترون‌های کسری – معروف به آنیون‌ها – اجزای امیدوارکننده‌ای برای ایجاد و ذخیره اطلاعات کوانتومی و در نهایت برای ساخت رایانه‌های کوانتومی هستند. اطلاعات کوانتومی، اگرچه به طور بالقوه بسیار غنی است، اما بسیار ظریف است. برای استفاده از آن برای اهداف عملی، به تجسمی نیاز داریم که پیچیدگی را با استحکام فیزیکی ترکیب کند. هر کسی می تواند این صورت حساب را برآورده کند. افراد با ساختن آنها به شکل‌های کاربرپسندتر، یادگیری نحوه جابجایی کارآمد آنها و بررسی رفتارشان در حال پیشرفت هستند – در اصل، به آنها چیزهایی می‌دهند که به خاطر بسپارند و کاری کنند که نتایج نشان دهند. این اثر از مرزهای آکادمیک فراتر رفته است. مایکروسافت و گوگل به شدت درگیر هستند. داستان Anyon نمونه ای دوست داشتنی از ارزش جستجوی مجدد مبتنی بر کنجکاوی است. کاوش در پدیده های شگفت انگیز به خاطر خود، شادی عمیقی را برای افرادی که این کار را انجام می دهند به ارمغان می آورد. که به خودی خود ارزشمند است. اما گاهی اوقات (خیلی) بیشتر وجود دارد. از آنجایی که تنها بخش کوچکی از استارت‌آپ‌های ماجراجو آن را بزرگ می‌کنند، تعداد کمی از سرمایه‌گذاری‌های فکری وحشی به فناوری‌های نوآورانه شکوفا می‌شوند. در هر صورت، بسیاری از چیزها ممکن است اشتباه یا اشتباه پیش بروند. اما سود کلان حاصل از هدف‌گیری مجدد خالص،الکترون ها اساسی ترین ذرات بنیادی هستند. در فیزیک بنیادی آنها به عنوان نقاط بدون ساختار ظاهر می شوند که در آن مقادیر معینی از جرم، بار الکتریکی و تکانه زاویه ای (یا "اسپین") در کنار هم وجود دارند. از این توصیف ناچیز، قوانین دقیق مکانیک کوانتومی و نسبیت، بلوک‌های ساختمانی باشکوهی را ایجاد می‌کنند که بر شیمی و - البته - الکترونیک مسلط هستند. چندی پیش، این ایده ظالمانه که وقتی الکترون ها به مواد مناسب تزریق می شوند، به اجسام دیگر نفوذ می کنند، برای اکثر فیزیکدانان درست اندیش به همان اندازه که برای فیلسوفان طبیعی به نظر می رسید، دور از ذهن به نظر می رسید. که زمین حرکت می کند اما در زمان کوپرنیک، زمین حرکت می کند و الکترون ها از هم جدا می شوند. این احتمال تکان دهنده در دهه 1980 در مطالعات یک حالت عجیب از ماده به نام اثر هال کوانتومی کسری پدیدار شد. این اثر زمانی رخ می دهد که لایه های بسیار خالص و نازک از نیمه هادی های مناسب، محصور در عایق های مناسب، در معرض میدان های مغناطیسی بسیار بالا در دماهای بسیار پایین قرار گیرند. اثر هال اصلی که به نام فیزیکدان قرن نوزدهم، ادوین هال نامگذاری شده است، به ظهور یک جریان الکتریکی جانبی در پاسخ به ولتاژ اعمال شده در این نوع آرایش اشاره دارد. این یک روش راحت برای ترجمه بین اثرات الکتریکی و مغناطیسی است و در قلب عملکرد بسیاری از دستگاه های مفید از جمله سرعت سنج ها و ترمزهای ضد قفل قرار دارد. در اثر هال کوانتومی کسری، جریان ها به طور غیرعادی کوچک و غیرعادی پایدار هستند. این ویژگی‌ها نشان می‌دهد که ذرات تشکیل‌دهنده جریان دارای اتصالات عجیب و غریب هستند: جریان آنها به طور غیرعادی منظم است، اما هر کدام دارای بار کمی هستند. در ساده ترین حالت، بار ظاهری یک سوم الکترون است که نشان می دهد الکترون های تزریق شده به لایه ماده به سه قسمت مساوی تقسیم می شوند. تا همین اواخر، تکه تکه شدن الکترون یک کنجکاوی علمی بود. از آنجایی که با موفقیت خرد متعارف را به چالش کشید، فیزیکدانان حرفه ای توجه زیادی به آن کردند. اما کاربردهای عملی دور به نظر می رسید، زیرا این اثر تنها در آزمایش های دشوار قابل مشاهده بود. اما اخیراً علاقه به الکترون های تکه تکه شده افزایش یافته است، زیرا مشخص شده است که آنها نوعی حافظه جمعی دارند. به بیان دقیق تر: بعد از اینکه آنها را در اطراف یکدیگر حرکت می دهید، رفتار بعدی آنها یک شاخص قابل اعتماد از نحوه رفتار شما با آنها است. به دلیل این «حافظه»، الکترون‌های کسری – معروف به آنیون‌ها – اجزای امیدوارکننده‌ای برای ایجاد و ذخیره اطلاعات کوانتومی و در نهایت برای ساخت رایانه‌های کوانتومی هستند. اطلاعات کوانتومی، اگرچه به طور بالقوه بسیار غنی است، اما بسیار ظریف است. برای استفاده از آن برای اهداف عملی، به تجسمی نیاز داریم که پیچیدگی را با استحکام فیزیکی ترکیب کند. هر کسی می تواند این صورت حساب را برآورده کند. افراد با ساختن آنها به شکل‌های کاربرپسندتر، یادگیری نحوه جابجایی کارآمد آنها و بررسی رفتارشان در حال پیشرفت هستند – در اصل، به آنها چیزهایی می‌دهند که به خاطر بسپارند و کاری کنند که نتایج نشان دهند. این اثر از مرزهای آکادمیک فراتر رفته است. مایکروسافت و گوگل به شدت درگیر هستند. داستان Anyon نمونه ای دوست داشتنی از ارزش جستجوی مجدد مبتنی بر کنجکاوی است. کاوش در پدیده های شگفت انگیز به خاطر خود، شادی عمیقی را برای افرادی که این کار را انجام می دهند به ارمغان می آورد. که به خودی خود ارزشمند است. اما گاهی اوقات (خیلی) بیشتر وجود دارد. از آنجایی که تنها بخش کوچکی از استارت‌آپ‌های ماجراجو آن را بزرگ می‌کنند، تعداد کمی از سرمایه‌گذاری‌های فکری وحشی به فناوری‌های نوآورانه شکوفا می‌شوند. در هر صورت، بسیاری از چیزها ممکن است اشتباه یا اشتباه پیش بروند. اما سود کلان حاصل از هدف‌گیری مجدد خالص، اگرچه نادر است، سرمایه‌گذاری بزرگ را در مجموع ارزشمند می‌کند. اگرچه نادر است، سرمایه‌گذاری بزرگ را در مجموع ارزشمند می‌کند.