;
Наука 16 июня 2022

Квантовый симулятор показал разделение электрона на части в одномерном пространстве

Далее

Исследователи использовали квантовый симулятор для изучения поведения электронов в одномерном пространстве. Физики измерили спиновые и зарядовые волны, продемонстрировав, что они движутся с разной скоростью.

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.

Модель эксперимента с созданием спиновой волны (аналогично для зарядовой волны). Лазерный луч (вверху слева) создает в проводе коллективные волны, которые переносят либо спин, либо заряд. Спин должен указывать вверх (синий) или вниз (красный), а атомы с противоположным спином естественным образом располагаются в чередующемся порядке (верхний ряд). Волна переносит спин, последовательно меняя соседние значения. Иллюстрация: Ella Maru Studio, R. Hulet, Rice University

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