Физики из Университета Райса использовали ультрахолодные атомы и одномерный световой канал для моделирования электронов в одномерных проводах и изучения того, как два их внутренних свойства — вращение (спин) и заряд — распространяются с разной скоростью. Результаты экспериментов, опубликованные в Science, позволили впервые получить количественные измерения, соотносимые с предсказанными теоретически.
Электроны — это фермионы, антисоциальные квантовые частицы, которые отказываются делить пространство друг с другом, объясняют авторы исследования. В соответствии с принципом исключения Паули два или более идентичных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии в квантовой системе.
Разделение спинов и зарядов является проявлением такого взаимного отвращения в одномерном пространстве. Физики Шиничиро Томонага и Хоакин Латтинжер сформировали теоретическую модель поведения электронов в 1D, известную под названием жидкость Латтинжера, около 60 лет назад, однако до сих пор измерить эффект количественно практически не удавалось.
Квантовые симуляторы используют квантовые свойства реальных объектов, таких как атомы, ионы или молекулы, для решения проблем, которые трудно или невозможно решить с помощью обычных компьютеров. В симулятор спинового заряда Университета Райса ультрахолодные атомы лития заменяют электроны, а световой канал — одномерный провод.
Когда один электрон сталкивается с другим, он передает энергию, которая переводит последний в более высокое энергетическое состояние. В трехмерном материале возбужденный электрон уносится прочь, сталкивается с чем-то, теряет немного энергии, летит в новом направлении, чтобы столкнуться с чем-то еще и так далее, объясняют ученые.
В одномерном пространстве провода движение будет коллективным: когда вы «давите» на один электрон, он передает давление следующему и так далее. Томонага и Латтинжер предсказали, что волны спинового возбуждения будут двигаться медленнее, чем волны заряда. Экспериментальные данные подтвердили эту теорию, при этом скорости распространения волн точно совпали с предсказаниями современных расчетов для жидкости Латтинжера.
Исследователи наблюдали разделение спина и заряда в твердотельных материалах, но они не видели его в четкой или количественной форме. Наш эксперимент действительно первый, в котором получены количественные измерения, которые можно сравнить с почти точной теорией.
Рэнди Хьюлет, физик из Университета Райса и один из авторов исследования
Авторы работы отмечают, что результаты имеют не только теоретическое, но и практическое значение. Постоянное уменьшение объема микросхем приводит к созданию проводов, близких к одномерному пространству, а значит квантовые эффекты начнут влиять на работу таких устройств. Кроме того, исследование поможет в разработке технологии топологических квантовых компьютеров, которые будут кодировать информацию в кубитах, свободных от декогеренции.
Читать далее:
Японцы сбросили гигантскую турбину в океан, чтобы получать бесконечную энергию от течения
Астрономы из Японии нашли в галактике неизвестную структуру
Исследователи сняли на видео «скрытую» экосистему антарктической реки