Ultrakolde atomer bruges til at verificere 1963 forudsigelse om 1-D elektroner

Atomfysikere fra Rice University har bekræftet en vigtig forudsigelse fra en 55-årig teori om endimensionel elektronik, der i stigende grad er relevant takket være Silicon Valleys ubønhørlige søgen efter miniaturisering.

"Chipmakere har skrumpet funktionsstørrelser på mikrochips i årtier, og enhedsfysikere undersøger nu brugen af ​​nanotråde og nanorør, hvor de kanaler, elektroner passerer igennem, er næsten endimensionelle, "sagde Rice eksperimentelle fysiker Randy Hulet." Det er vigtigt, fordi 1D er en anden boldspil med hensyn til elektronledning. Du har brug for en ny model, en ny måde at repræsentere virkeligheden på, at give mening om det. "

Med IBM og andre forpligtet til at inkorporere endimensionale carbon nanorør i integrerede kredsløb, chipdesign vil i stigende grad skulle tage højde for 1D -effekter, der opstår ved at elektroner er fermioner, antisociale partikler, der ikke er villige til at dele plads.

1D-konsekvenserne af denne standoffishness vakte opmærksomhed fra fysikerne Sin-Itiro Tomonaga og J.M. Luttinger, hvis model for 1D elektronadfærd blev offentliggjort i 1963. En vigtig forudsigelse af Tomonaga-Luttinger væske (TLL) teori er, at spændende en elektron i en 1D ledning fører til et kollektiv, organiseret respons fra hver elektron i ledningen.

Fremmed stadig, på grund af denne kollektive adfærd, TLL -teorien forudsiger, at en elektron i bevægelse i 1D tilsyneladende vil dele sig i to og rejse med forskellige hastigheder, på trods af at elektroner er grundlæggende partikler, der ikke har nogen bestanddele. Denne mærkelige opbrud, kendt som spin-charge separation, involverer i stedet to iboende egenskaber ved elektronen - negativ ladning og vinkelmoment, eller "spin".

I en undersøgelse online i denne uge i Fysisk gennemgangsbreve , Hulet, Universitetet i Genève teoretiske fysiker Thierry Giamarchi og deres kolleger brugte en anden type fermion - ultrakølede lithiumatomer afkølet til inden for 100 milliarder af en grad af absolut nul - for både at verificere den forudsagte hastighed, ladningsbølger bevæger sig i 1D og tilbyde bekræftelse af, at 1D -ladningsbølger øge deres hastighed i forhold til styrken af ​​interaktionen mellem dem.

"I en endimensionel ledning, elektroner kan bevæge sig til venstre eller til højre, men de kan ikke gå rundt om andre elektroner, sagde Hulet, Rice's Fayez Sarofim Professor i fysik. "Hvis du tilføjer energi til systemet, de bevæger sig, men fordi de er fermioner og ikke kan dele plads, den bevægelse, eller ophidselse, forårsager en slags kædereaktion.

"En elektron bevæger sig, og det skubber til den næste, der skal flyttes, og den ved siden af ​​den og så videre, får den energi, du har tilføjet, til at bevæge sig ned ad tråden som en bølge, "Sagde Hulet." Den eneste ophidselse har skabt en krusning overalt i ledningen. "

I deres eksperimenter, Hulets team brugte lithiumatomer som stand-ins til elektroner. Atomer er fanget og bremset med lasere, der modsætter sig deres bevægelse. Jo langsommere de går, jo koldere lithiumatomer bliver, og ved temperaturer langt koldere end nogen i naturen, atomerne opfører sig som elektroner. Flere lasere bruges til at danne optiske bølgeledere, endimensionale rør bred nok til kun et atom. På trods af den indsats, der er nødvendig for at skabe disse betingelser, Hulet sagde, at eksperimenterne giver en stor fordel.

"Vi kan bruge et magnetfelt i vores eksperiment til at indstille styrken af ​​den frastødende interaktion mellem lithiumatomerne, "Sagde Hulet." Ved at studere dette kollektiv, eller korreleret elektronadfærd, interaktionsstyrke er en vigtig faktor. Stærkere eller svagere elektroninteraktioner kan producere helt forskellige effekter, men det er ekstraordinært svært at studere dette med elektroner på grund af manglende evne til direkte at kontrollere interaktioner. Med ultrakølede atomer, vi kan i det væsentlige indstille interaktionsstyrken til ethvert niveau, vi ønsker, og se, hvad der sker. "

Mens tidligere grupper har målt hastigheden af ​​kollektive bølger i nanotråde og i gasser af ultrakølede atomer, ingen havde målt det som en funktion af interaktionsstyrke, Sagde Hulet.

"Charit excitations forventes at bevæge sig hurtigere med stigende interaktionsstyrke, og vi viste det "sagde han." Thierry Giamarchi, der bogstaveligt talt skrev bogen om dette emne, brugte TLL -teori til at forudsige, hvordan ladningsbølgen ville opføre sig i vores ultrakølede atomer, og hans forudsigelser blev bekræftet i vores eksperimenter. "

At have denne evne til at kontrollere interaktioner sætter også scenen for at teste den næste TLL -forudsigelse:Hastigheden af ​​ladningsbølger og spinbølger afviger med stigende interaktionsstyrke, hvilket betyder, at elektroner er skabt til at afvise hinanden med større kraft, ladningsbølger vil rejse hurtigere og spin -bølger vil rejse langsommere.

Nu hvor teamet har verificeret den forudsagte opførsel af ladningsbølger, Hulet sagde, at de næste planlægger at måle spin -bølger for at se, om de opfører sig som forudsagt.

"1D -systemet er et paradigme for stærkt korreleret elektronfysik, som spiller en nøglerolle i mange ting, vi gerne vil forstå bedre, som høj temperatur superledning, tunge fermion materialer og mere, "Sagde Hulet.