스핀-전하 분리

응집물질물리학에서 스핀-전하 분리(영어: Spin–charge separation)는 일부 물질에서 전자가 스피논, 오비톤, 홀론(또는 전하 입자)의 세 가지 독립적인 입자로 '분리'되는 특이한 현상이다. 전자는 항상 이론적으로 이 세 가지의 결합 상태로 간주될 수 있으며, 스피논은 전자의 스핀을, 오비톤은 궤도 자유도를, 전하 입자는 전하를 운반하지만, 특정 조건에서는 독립적인 준입자처럼 행동할 수 있다.

스핀-전하 분리 이론은 1950년 1차원 상호작용 양자계를 다루는 근사 방법을 개발한 도모나가 신이치로의 연구에서 시작되었다. 이는 1963년 호아킨 마즈닥 루팅거가 스핀-전하 분리를 보여주는 정확히 풀 수 있는 모델을 통해 발전시켰다. 1981년 F. 던컨 M. 할데인은 루팅거의 모델을 루팅거 액체 개념으로 일반화했다. 이로써 루팅거 모델의 물리학이 모든 1차원 금속 시스템의 일반적인 특징임이 이론적으로 증명되었다. 할데인은 스핀 없는 페르미온을 다루었지만, 스핀-½ 페르미온과 관련 스핀-전하 분리로의 확장은 매우 명확하여 약속된 후속 논문은 발표되지 않았다.

스핀-전하 분리는 준입자 개념의 가장 특이한 발현 중 하나이다. 이 특성은 직관에 반한다. 왜냐하면 전하가 없고 스핀이 절반인 스피논이나, 전하가 마이너스 1이고 스핀이 없는 전하 입자 모두 시스템 구성 요소인 전자, 양공, 포논, 광자의 조합으로 구성될 수 없기 때문이다. 이는 준입자의 양자수가 기본 입자의 양자수의 배수가 아니라 분수 형태를 띠는 분수화 현상의 한 예이다.

동일한 이론적 아이디어가 초저온 원자의 틀에서도 적용되었다. 1차원 이성분 보스 가스에서 강한 상호작용은 최대 형태의 스핀-전하 분리를 생성할 수 있다.

관찰

물리학자 F. 던컨 M. 할데인의 1981년 이론을 바탕으로, 2009년 케임브리지 대학교와 버밍엄 대학교의 전문가들은 작은 공간에 인위적으로 가두어진 전자의 덩어리가 상호 반발력(동일한 전하를 가짐)의 강도 때문에 스피논과 홀론으로 분리된다는 것을 실험적으로 증명했다. 3년 전, 미국 에너지부 로렌스 버클리 국립 연구소의 어드밴스드 라이트 소스(ALS)에서 연구하는 연구팀은 스핀-전하 분리의 피크 스펙트럼 구조를 관찰했다.

외부 링크

• Observation of Spin-Charge Separation in One-Dimensional SrCuO₂
• Distinct spinon and holon dispersions in photoemission spectral functions from one-dimensional SrCuO₂ : Abstract