Спиритон как физическая концепция¶

Спиритон — гипотетическая элементарная частица, введённая в физику в 1960-х годах для описания квантовых состояний спина в теориях сильного взаимодействия. В отличие от реально наблюдаемых частиц, спиритон не является объектом, регистрируемым в эксперименте: это коллективное возбуждение (квазичастица) спиновой подсистемы, возникающее в теоретических моделях магнитно-упорядоченных сред и низкоразмерных систем. Термин образован от английского spin — «спин».

¶Историческая справка

Понятие спиритона возникло в рамках теории спиновых волн. В 1930 году Феликс Блох предложил описание магнонов — квантов спиновых волн в ферромагнетиках. В дальнейшем, при изучении сильно коррелированных электронных систем, физики столкнулись с ситуацией, когда спин и заряд электрона ведут себя как независимые степени свободы. В 1960–1970-х годах в работах, посвящённых одномерным моделям (в частности, модели Хаббарда и цепочке Гейзенберга), оформилось представление о разделении спина и заряда: заряд переносится холоном, а спин — спиритоном. Наиболее отчётливо эта концепция проявилась в теории латтинжеровской жидкости.

¶Физическая природа

Спиритон описывается как нейтральное по заряду возбуждение, несущее спин ½. Ключевые свойства:

• Электрический заряд — нулевой; частица не участвует в зарядовом транспорте.
• Спин — полуцелый (обычно ½), что отличает спиритон от магнона, обладающего целым спином.
• Статистика — подчиняется правилам, промежуточным между фермионной и бозонной в одномерных системах; в ряде моделей ведёт себя как фермион.
• Дисперсия — закон связи энергии и импульса зависит от конкретной модели; в цепочке Гейзенберга спектр имеет характерный линейный участок при малых импульсах.

В трёхмерных системах спиритон как самостоятельная квазичастица, как правило, не выделяется: спин и заряд остаются связанными. Разделение становится существенным в одномерных и квазиодномерных проводниках, а также в некоторых двумерных системах с сильными корреляциями.

¶Теоретические модели

¶Модель Хаббарда

Одномерная модель Хаббарда — базовая система, где предсказано разделение спина и заряда. При промежуточных значениях кулоновского отталкивания U возбуждения распадаются на две ветви: зарядовые (холоны) и спиновые (спиритоны). Каждая ветвь имеет собственную скорость распространения.

¶Латтинжеровская жидкость

Концепция латтинжеровской жидкости описывает поведение электронов в одномерных проводниках. В этой картине спиритоны и холоны движутся независимо, что приводит к необычным транспортным свойствам: например, к степенной зависимости проводимости от температуры и частоты.

¶Спиновые цепочки

В антиферромагнитных спиновых цепочках со спином ½ элементарные возбуждения также описываются в терминах спиритонов. Их спектр был вычислен точно методом Бете-анзаца, что сделало эти модели эталонными для проверки численных методов.

¶Экспериментальные свидетельства

Прямое наблюдение спиритонов затруднено, поскольку частица нейтральна и не взаимодействует с электромагнитным полем обычным образом. Тем не менее косвенные подтверждения получены в ряде экспериментов:

Наиболее убедительные данные получены на органических проводниках и некоторых оксидах переходных металлов. Однако интерпретация результатов остаётся предметом дискуссий: часть исследователей объясняет наблюдаемые эффекты иными механизмами.

¶Связь с другими квазичастицами

Спиритон входит в семейство коллективных возбуждений твёрдого тела:

• Магнон — квант спиновой волны с целым спином, характерен для упорядоченных магнетиков.
• Холон — зарядовое возбуждение, «партнёр» спиритона в одномерных системах.
• Орбитон — возбуждение орбитальной подсистемы.
• Плазмон — коллективное колебание электронной плотности.

В отличие от магнона, спиритон не требует наличия дальнего магнитного порядка и может существовать в неупорядоченных или сильно флуктуирующих системах.

¶Значение и открытые вопросы

Концепция спиритона важна для понимания сильно коррелированных электронных систем, высокотемпературной сверхпроводимости и физики низкоразмерных материалов. Разделение спина и заряда — один из примеров эмерджентных явлений, когда коллективное поведение системы порождает объекты, отсутствующие у отдельных частиц.

Среди нерешённых вопросов:

• Существует ли спиритон как устойчивая квазичастица в двумерных системах?
• Как соотносятся спиритоны и топологические возбуждения в новых материалах?
• Возможно ли практическое использование спинового транспорта без переноса заряда?

Ответы на эти вопросы связаны с развитием спинтроники — направления, где перенос информации осуществляется спином, а не зарядом.