Ultrakølede atomer kunne give 2-D vindue til eksotisk 1-D fysik

Rice University fysikere Matthew Foster og Seth Davis ønsker at se et irriterende kvantepuslespil fra et helt nyt perspektiv. De har bare brug for det rigtige udsigtspunkt og et sted, der er koldere end dybt rum.

"Der er en proces i stærkt interagerende fysik, hvor grundlæggende partikler, ligesom elektroner, kan komme sammen og opføre sig som om de var en brøkdel af en elektron, "sagde Davis, en kandidatstuderende i Fosters forskningsgruppe. "Det kaldes fraktionalisering. Det er en virkelig eksotisk, grundlæggende proces, der viser sig teoretisk mange steder. Det kan have noget at gøre med høj temperatur superledning, og det kan være nyttigt til at bygge kvantecomputere. Men det er meget svært at forstå og endnu sværere at måle. "

I et nyligt papir i Fysisk gennemgangsbreve , Foster og Davis, både teoretiske fysikere, foreslog et eksperiment for at måle fraktionalisering ikke i elektroner, men i atomer så kolde, at de følger de samme kvantumregler, der dikterer, hvordan elektroner opfører sig i kvantematerialer, en voksende klasse materialer med eksotiske elektroniske og fysiske egenskaber, som regeringer og industri ser efter næste generations computere og elektroniske enheder.

Kvantematerialer inkluderer høj temperatur superledere, et af de mest forvirrende mysterier i fysik, og materialer, der udviser topologiske faser, som skaffede sine opdagere Nobelprisen i fysik i 2016. Sidstnævnte er det eneste sted, fysikere entydigt har målt fraktionalisering, i en eksotisk elektronisk tilstand kaldet fraktioneret kvante Hall -effekt. I denne tilstand, flade todimensionale materialer leder kun elektricitet langs deres endimensionelle kanter.

"Det er et 2-D-eksempel, sagde Foster, adjunkt i fysik og astronomi ved Rice. "Og det er klart, at fraktionalisering forekommer der, fordi hvis du måler konduktansen for disse kanttilstande, opfører de sig som om de er lavet af partikler, der opfører sig som en tredjedel af en elektron.

"Der er ingen rigtige partikler, der bærer en tredjedel af den elektriske ladning, "sagde han." Det er bare effekten af, at alle elektronerne bevæger sig sammen på en sådan måde, at hvis du opretter en lokal excitation, det vil opføre sig som en elektron med en tredjedel af en ladning. "

Foster og Davis sagde, at hovedmotivationen til at beskrive deres ultrakølede atomprøve var at kunne observere fraktionalisering i et system, der er meget forskelligt fra fraktioneret quantum Hall -eksempel.

"Det, vi sigter mod, er bare at se denne fysik i en anden sammenhæng på en utvetydig måde, sagde Foster, medlem af Rice's Center for Quantum Materials (RCQM).

Deres foreslåede eksperiment kræver, at laserkølende atomer fungerer som stand-ins for elektroner. I sådanne forsøg, lasere modsætter sig atomernes bevægelse, gradvist sænker dem til koldere og koldere temperaturer. De kolde atomer er fanget af andre lasere, der danner optiske bølgeledere, endimensionelle kanaler, hvor atomer kan bevæge sig til venstre eller højre, men ikke kan gå rundt om hinanden. Atomenes kvanteopførsel i disse endimensionelle guider efterligner elektroners adfærd i 1D-ledninger.

"Alle de enkelte elementer i eksperimentet er udviklet, men vi tror ikke, at de er blevet sammensat i et enkelt eksperimentelt setup, "Foster sagde." Det er her, vi har brug for hjælp fra eksperimentelle eksperter, der er eksperter i laserkøling. "

For at observere fraktionering i et ultrakoldt system, Foster og Davis foreslår at skabe et sæt parallelle 1D-bølgeledere, der alle er i det samme todimensionale plan. Et par ekstra atomer ville udfylde 1D -guiderne nær eksperimentets centrum.

"Så vi starter med 1D -ledningerne, 'eller guider, og den oprindelige tæthed i midten, og så dropper vi nogle af laserne og lader atomerne interagere mellem ledningerne i en slags 2-D mesh, "Foster sagde." Vi kan meget præcist beskrive 1D -systemet, hvor stærke interaktioner får atomerne til at opføre sig på en korreleret måde. Fordi hele systemet er kvantemekanisk og sammenhængende, disse korrelationer skulle blive præget på 2-D-systemet.

"Vores sonde slipper det ekstra tæthed og ser, hvad det gør, "sagde han." Hvis atomerne i 1D -vejledningerne ikke interagerer, så vil bumpen bare brede sig ud mellem ledningerne. Men, hvis der var indledende fraktionering på grund af korrelerede virkninger i ledningerne, hvad vi trygt kan beregne er, at tætheden vil gøre noget helt andet. Det vil gå den anden vej, flyver ned ad ledningerne. "

Foster sagde, at han er interesseret i at diskutere gennemførligheden af ​​testen med ultrakølede atomeksperimenter.

"Vi ved, at det kan tage år at bygge og perfektionere nogle af de eksperimentelle opsætninger til denne slags eksperimenter, "Sagde Foster." Som teoretikere, vi kender de ingredienser, vi har brug for, men vi kender ikke dem, der vil være mest udfordrende at implementere, eller om det kan være lettere at ændre nogle opsætninger i modsætning til andre. Det er her, vi får brug for hjælp fra vores eksperimentelle kolleger. "