Kvantesimulator viser, hvordan dele af elektroner bevæger sig med forskellige hastigheder i 1D

En kvantesimulator på Rice University giver fysikere et klart blik på spin-ladningsadskillelse, kvanteverdenens version af tryllekunstnerens illusion om at save en person i to.

Udgivet i denne uge i Science , har forskningen betydning for kvanteberegning og elektronik med ledninger i atomskala.

Elektroner er små, subatomære partikler, der ikke kan opdeles. På trods af dette dikterer kvantemekanikken, at to af deres egenskaber – spin og ladning – bevæger sig med forskellige hastigheder i endimensionelle ledninger.

Risfysikerne Randy Hulet, Ruwan Senaratne og Danyel Cavazos byggede et ultrakoldt sted, hvor de gentagne gange kunne se og fotografere en uberørt version af dette kvantespektakel, og de samarbejdede med teoretikere fra Rice, Kina, Australien og Italien om de offentliggjorte resultater.

Kvantesimulatorer udnytter kvanteegenskaber af rigtige objekter som atomer, ioner eller molekyler til at løse problemer, der er svære eller umulige at løse med konventionelle computere. Rice's spin-charge simulator bruger lithium-atomer som stand-ins for elektroner og en lyskanal i stedet for en 1D elektronisk ledning.

Universet er oversvømmet af varme, der skjuler atomernes kvanteadfærd. For at opfatte kvanteeffekter i lithium brugte Hulets team laserkøling til at gøre dets atomer 1 million gange koldere end det koldeste naturlige objekt i universet. Yderligere lasere skabte 1D-lyskanalen eller den optiske bølgeleder.

Ideelt gjort ægte

Elektroner er antisociale kvantepartikler, der nægter at dele plads med hinanden. Spin-ladningsadskillelse er en manifestation af den gensidige afsky i 1D. Den blev teoretisk formuleret af fysikerne Shinichiro Tomonaga og Joaquin Luttinger for omkring 60 år siden. Men at måle det i elektroniske materialer har vist sig ekstraordinært vanskeligt.

Hulet, Rice's Fayez Sarofim professor i fysik og medlem af Rice Quantum Initiative, sagde, at simulatoren kan undersøge fysikken i spin-ladningsadskillelse på en måde, som ikke tidligere har været mulig.

"Folk har observeret spin-ladningsadskillelse i faststofmaterialer, men de har ikke set det på en meget ren eller kvantitativ måde," sagde Hulet. "Vores eksperiment er virkelig det første til at levere kvantificerbare målinger, der kan sammenlignes med en næsten nøjagtig teori."

Ægte materialer har ufuldkommenheder, men Tomonaga og Luttingers teori beskriver elektronernes adfærd i en fejlfri 1D-ledning. Den nye simulering afslører adfærden af ​​rigtige kvantepartikler i uberørte omgivelser, der ligner det teoretiske ideal.

"Kolde atomer giver os muligheden for at justere styrken af ​​interaktionen mellem partikler, hvilket muliggør en næsten lærebogssammenligning med Tomonaga-Luttingers væsketeori," sagde Hulet.

Færre dimensioner, anderledes fysik

Når en elektron rammer en anden, giver den energi, der kan excitere den ramte elektron til en højere energitilstand. I et 3D-materiale gnider den ophidsede elektron væk, kolliderer med noget, mister en smule energi, karameller af i en ny retning for at kollidere med noget andet og så videre. Men det kan ikke ske i 1D.

"I 1D er enhver excitation kollektiv," sagde Hulet. "Hvis du skubber en elektron ind i en 1D-ledning, skubber den på den ved siden af ​​den, og den skubber på den ved siden af, og så videre."

Senaratne, en forsker i Hulets laboratorium, sagde:"De kan ikke bevæge sig rundt om hinanden. De er fanget i en linje. Hvis du flytter en af ​​dem, skal du flytte dem alle. Det er derfor excitationer af elektroner i en 1D-ledninger er nødvendigvis kollektive."

Når elektroner kolliderer i 1D, bølger excitationer ned ad ledningen. Tomonaga og Luttinger indså, at bølger af spin-excitation ville bevæge sig langsommere end ladningsbølger. Men Hulet sagde, at det er forkert at forestille sig denne adskillelse som spaltning af en elektron eller, i simulatorens tilfælde, spaltning af et lithiumatom.

"Det er ikke intuitivt," sagde han. "Du er nødt til at forestille dig, at stof eksisterer som bølger."

Sammenligning af hastigheder

I 2018 lavede Hulets gruppe en 1D-simulator, der kunne ophidse svarende til ladningsbølger, og hans hold målte, hvor hurtigt bølgerne bevægede sig. For at teste Tomonaga-Luttinger Liquid-modellen var de nødt til at sammenligne hastigheden af ​​disse ladningsbølger med hastigheden af ​​spin-bølger, der bevæger sig ned ad linjen.

"Vi kunne ikke ophidse spin-bølger på det tidspunkt, men Ruwan og Danyel sammensatte et system, der kunne," sagde Hulet. "Vi var nødt til at overvinde en teknisk hindring i forbindelse med en proces kaldet spontan emission."

Cavazos sagde:"Den effekt, vi prøver at se, er lidt subtil. Så hvis du forstyrrer den for meget, vil den bare blive vasket væk. En analogi ville være, hvis vi prøvede at tage et billede af noget, men blitzen beskadigede det, vi forsøgte at fotografere. Så vi var nødt til at ændre farven på blitzen, i denne analogi, for at gøre den mere skånsom. Vi ændrede også systemet lidt, så det ikke ville være så skrøbeligt som før. kombinationen tillod os faktisk at se den subtile effekt."

De eksperimentelle data stemte nøje overens med forudsigelser fra en state-of-the-art teoretisk beregning foretaget af forskningsgrupperne af studiets medforfatter Xi-Wen Guan ved både det kinesiske videnskabsakademi og Australian National University og af medforfatter Han Pu ved Ris.

1D betyder noget

"Efterhånden som integrerede kredsløb bliver mindre, må chipproducenter begynde at bekymre sig om dimensionalitet," sagde Hulet. "Deres kredsløb bliver til sidst et endimensionelt system, der skal lede og transportere elektroner på samme måde som de endimensionelle ledninger, vi har talt om."

Forskningen kunne også hjælpe med udviklingen af ​​teknologi til topologiske kvantecomputere, der ville kode information i qubits, der er fri for den dekohærens, der plager nutidens kvantecomputere. Microsoft og andre håber at skabe topologiske qubits med kvantepartikler kaldet Majorana-fermioner, der kan eksistere i nogle 1D- eller 2D-superledere. Hulets langsigtede mål er at simulere en type 1D-superleder, der kan være vært for Majorana-fermioner, og han sagde, at denne uges rapport repræsenterer et stort skridt mod dette mål.

"Vi lærer om disse systemer, mens vi går," sagde han. "Det er vigtigt for nogen at gøre det grundlæggende, lære at manipulere ting eksperimentelt, hvad observationerne betyder, og hvordan du forstår dem. Dette arbejde er et vigtigt skridt. Det demonstrerer vores evne til at udføre eksperimenter på et system, der simulerer en dimensionel superleder."

Yderligere medforfattere omfatter Ya-Ting Chang og Aashish Kafle of Rice, Sheng Wang fra det kinesiske videnskabsakademi og Feng He fra både International School for Advanced Studies og det italienske nationale institut for kernefysik i Trieste. + Udforsk yderligere

Ultrakolde atomer brugt til at bekræfte 1963 forudsigelse om 1-D elektroner