Het gedrag van elektronen in een materiaal is doorgaans moeilijk te voorspellen. Nieuw inzicht komt nu van experimenten en simulaties die zijn uitgevoerd door een team onder leiding van ETH-natuurkundigen die elektronische transporteigenschappen hebben bestudeerd in een eendimensionale kwantumdraad met een mesoscopisch rooster.

Of het nu gaat om een ​​materiaal, bijvoorbeeld, een metaal of een isolator hangt af van een reeks microscopisch kleine details, inclusief de sterkte van interacties tussen elektronen, de aanwezigheid van onzuiverheden en het aantal dimensies waardoor de ladingsdragers zich kunnen voortplanten. Deze complexiteit maakt de voorspelling van elektronische eigenschappen in solid-state systemen zeer uitdagend. Het gedrag van elektronen in een materiaal begrijpen wordt des te moeilijker wanneer ze door een periodieke potentiaal bewegen, bijvoorbeeld in een kristal. Dan fenomenen zoals superfluïditeit, die gepaard gaat met een grote geleiding, kan concurreren met interferentie-effecten die het materiaal in een isolator veranderen.

Martin Lebrat, samen met collega's in de groep van Tilman Esslinger van het Institute for Quantum Electronics van ETH Zürich en medewerkers van de Universiteit van Genève en de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben het probleem nu aangepakt door experimenten uit te voeren in een perfect schoon kunstmatig materiaal dat ze kunnen met grote nauwkeurigheid en flexibiliteit besturen. Zoals ze rapporteren in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , ze gebruikten laserlicht om korte eendimensionale roosterstructuren te creëren die verbonden waren met twee reservoirs van ultrakoude lithium-6-atomen. In deze opstelling kunnen ze de geleidbaarheid van de draad meten terwijl ze uitstekende controle hebben over alle relevante parameters, inclusief de lengte en hoogte van het rooster en de interacties tussen de deeltjes die er doorheen worden getransporteerd.

In hun experimenten, ze observeerden de opkomst van een band-isolerende fase met zwakke interacties. Toen ze de interacties afstemden van zwak naar sterk aantrekkelijk, ze ontdekten dat deze isolerende toestand aanhoudt, zinspelend op de aanwezigheid van een zogenaamde Luther-Emery-vloeistof, een oorspronkelijke fase die in 1974 is voorspeld en die kenmerkend is voor het eendimensionale karakter van de constructie.

Het experimentele werk wordt ondersteund door simulaties, en bij elkaar genomen demonstreren deze resultaten de gelijktijdige controle van interacties en kwantuminterferenties in apparaten met koude atomen. Dit zou niet alleen interessant moeten zijn om het gedrag van elektronen die door materialen bewegen te onderzoeken; de flexibiliteit die de aanpak van Lebrat en collega's biedt, betekent ook dat ze complexe structuren kunnen ontwerpen met nieuwe functionaliteiten die niet beschikbaar zijn in elektronische systemen.