Skilsmisse i en endimensionel verden

I dagligdags genstande, der er ingen venstre uden højre eller front uden ryg. Ligesom uadskilleligt ser ud til at være elektronens elektriske ladning og dens "spin". Men i en strengt endimensionel kvanteverden, begge kvanteegenskaber kan adskilles fra hinanden. Denne 50-årige forudsigelse er nu blevet bekræftet af et eksperiment udført af et team fra München Center for Quantum Science and Technology (MCQST).

Fysikere fra Max Planck Institute for Quantum Optics in Garching spiller en ledende rolle. Til deres vellykkede demonstration, som nu udgives i tidsskriftet Videnskab ("Time-Resolved Observation of Spin-Charge Deconfinement in Fermionic Hubbard Chains"), de brugte en såkaldt kvantesimulator. En sådan specialiseret kvantecomputer kan præcist estimere et materiales kvanteegenskaber, hvilket er umuligt udfordrende for konventionelle supercomputere i dag.

"Som videnskabsmand, når du tænker på en elektron, du tænker på en bunden enhed med en bestemt elektrisk ladning og et bestemt spin, "forklarer Jayadev Vijayan, Ph.d. elev i gruppen af ​​Christian Gross og Immanuel Bloch, direktør ved Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching. Spin kan forestilles som en slags kvantemekanisk gyroskop. Men det er meget mere, fordi dets særlige spin gør en elektron til en fermion med kvanteegenskaber, der også danner grundlaget for nutidens halvlederelektronik.

Derfor, ladningen og centrifugeringen af ​​en elektron anses for at være uadskillelig forbundet. Men for mere end 50 år siden, forskere kom til en overraskende erkendelse af, at i en strengt endimensionel verden, dette tillidsfulde sammenhold af ladning og spin kan adskilles. Hvis du trækker en åben perlehalskæde lige som en pil, du har dybest set skabt sådan en en-dimensionel verden.

I forsøget, perlerne er magnetiske atomer. I hvert af disse atomer er der en særlig elektron, hvis uskærmede spin forvandler atomet til en lille magnetisk nål. Da de modsatte poler af magnetnåle tiltrækker hinanden, tilstødende magnetiske nåleperler på strengen flugter i modsatte retninger:en nordpol peger i en position opad, den næste nabo nordpol nedad, derefter næste men en opad igen, så det er en kæde af skiftevis spins, der peger op og ned (se figur).

Dette er eksperimentets udgangspunkt. Forudsigelsen siger nu:Hvis en sådan en-dimensionel kvanteperlekæde forstyrres, så kan ladningen og centrifugeringen af ​​en elektron adskilles fra hinanden i en atomperle. Derefter skal begge løbe langs kæden som to separate kvasipartikler. Disse kvasipartikler kan forestilles som en spand vand og en spand sand, som videregives med forskellige hastigheder i en brandslukningskæde.

München -teamet stod også over for en eksperimentel udfordring. Dagens nanoteknologi kan producere endimensionelle atomiske "perlekæder."

"Men elektronerne adskilles med en afstand i størrelsesordenen en tiendedel af et nanometer, "forklarer ph.d.-studerende. Cirka en tiendedel af en milliarddel af en meter er typisk for afstanden mellem atomer i materialer. Dette er for lille til at observere under et mikroskop, gør det umuligt at studere deres adfærd.

Kvantesimulatoren

Det er her München -kvantesimulatoren spiller ind. I princippet, det fungerer som at erstatte snoren i perlekæden med et gummibånd. Og gummibåndet trækkes fra hinanden, så afstanden mellem atomperlerne er omtrent 10, 000 gange større. Dette mikrometerområde kan nu løses ved hjælp af et lysmikroskop. De små atomer bliver synlige, når laserlys får dem til at lyse op.

I forsøget, "gummibåndet" består af et gitter af skærende laserlysstråler. Hvert lyskryds fungerer som en lille fælde, der fanger et atom, i dette tilfælde et lithiumatom. For at få dem til at opføre sig som elektroner i virkelige materialer, de skal først afkøles til ultralave temperaturer i vakuum.

Lithiumatomer er fermioniske, dvs. små magneter båret af et uskærmet elektron -spin. Nu, fysikerne måtte finde på et trick for at gøre dette spin synligt i deres kvantesimulator. At gøre dette, de løsner lysbøjlerne i kort tid i nærværelse af et specialdesignet magnetfelt. Resultatet:Atomerne forskydes let opad eller nedad fra perlekæden, afhængigt af retningen af ​​deres spin.

Feynmans drøm

Så snart atomkæden er forberedt, fysikerne sparker et atom ud af midten af ​​kæden med laserlys. Denne forstyrrelse, kaldes "slukke, "skaber to kvasipartikler i kæden. Den første kvasipartikel er hullet efter det udstødte atom. Denne" holon "indeholder elektronladningens kvanteegenskab. Den anden kvasipartikel, kaldet spinon, består af de to tilstødende parallelle spins efterladt af holongabet. Sammenlignet med baggrunden for skiftende spins, der peger op og ned, denne spinon bærer et overskydende spin fra quenchen.

Med deres kvantesimulator, holdet var i stand til at følge præcis, hvordan de to forstyrrelser bevæger sig langs atomkæden. Faktisk, det viste sig, at de bevæger sig i forskellige hastigheder og ikke bundet sammen. Ladning og centrifugering er således fuldstændig uafhængige af hinanden og perfekt adskilt - ligesom vand- og sandspandene i brandslukningskæden.

På den ene side, dette resultat er spændende ud fra grundforskning inden for kvantefysik. Adskillelsen mellem ladning og spin kan en dag også finde fascinerende anvendelser inden for kvanteinformationsteknologi. Først og fremmest, imidlertid, Garching -eksperimentet viser med succes, at kvantesimulatorer udvikler sig til en teknologi, der skal tages alvorligt.

I 1980'erne, den berømte nobelprisvinder Richard Feynman drømte, at det ville være muligt at forstå opførslen af ​​materialernes kvantesystemer, som er svære at få adgang til eksperimentelt, ved at bruge analoge kvantesystemer, der var perfekt tilgængelige og kontrollerbare. Selv konventionelle supercomputere undlader at beregne nogle af sådanne kvante systemer nøjagtigt. Men denne elegante mulighed tilbydes af ultrakølede atomer i lette gitre.

"I fremtiden, dette kunne muliggøre målrettet design af nye materialer, der, for eksempel, blive superledende ved stuetemperatur, "siger Jayadev Vijayan. Feynmans drøm om en kvantesimulator er nu ved at blive til virkelighed.