Atoomfysici van Rice University hebben een belangrijke voorspelling geverifieerd van een 55 jaar oude theorie over eendimensionale elektronica die steeds relevanter wordt dankzij de onverbiddelijke zoektocht van Silicon Valley naar miniaturisatie.

"Chipmakers hebben de grootte van kenmerken op microchips al tientallen jaren verkleind, en apparaatfysici onderzoeken nu het gebruik van nanodraden en nanobuisjes waar de kanalen waar elektronen doorheen gaan bijna eendimensionaal zijn, "Zei Rice experimenteel fysicus Randy Hulet. "Dat is belangrijk omdat 1D een ander spel is in termen van elektronengeleiding. Je hebt een nieuw model nodig, een nieuwe manier om de werkelijkheid weer te geven, om er zin in te krijgen."

Met IBM en anderen die zich inzetten voor het opnemen van eendimensionale koolstofnanobuisjes in geïntegreerde schakelingen, chipontwerpen zullen in toenemende mate rekening moeten houden met 1D-effecten die ontstaan ​​doordat elektronen fermionen zijn, asociale deeltjes die de ruimte niet willen delen.

De 1D-implicaties van deze afstandelijkheid trokken de aandacht van natuurkundigen Sin-Itiro Tomonaga en J.M. Luttinger, wiens model van 1D-elektronengedrag in 1963 werd gepubliceerd. Een belangrijke voorspelling van de Tomonaga-Luttinger-vloeistoftheorie (TLL) is dat het opwekken van één elektron in een 1D-draad leidt tot een collectief, georganiseerde reactie van elk elektron in de draad.

Nog vreemder, door dit collectieve gedrag, TLL-theorie voorspelt dat een bewegend elektron in 1D schijnbaar in tweeën zal splitsen en met verschillende snelheden zal reizen, ondanks het feit dat elektronen fundamentele deeltjes zijn die geen samenstellende delen hebben. Deze vreemde breuk, bekend als spin-lading scheiding, in plaats daarvan omvat twee inherente eigenschappen van het elektron-negatieve lading en impulsmoment, of "draaien".

In een online onderzoek deze week in Fysieke beoordelingsbrieven , Hulet, Theoretisch fysicus Thierry Giamarchi en hun collega's van de Universiteit van Genève gebruikten een ander type fermion - ultrakoude lithiumatomen afgekoeld tot op 100 miljardste van een graad van het absolute nulpunt - om zowel de voorspelde snelheid waarmee ladingsgolven in 1D bewegen te verifiëren als bevestiging te bieden dat 1D-ladingsgolven verhogen hun snelheid in verhouding tot de sterkte van de interactie tussen hen.

"In een eendimensionale draad, elektronen kunnen naar links of naar rechts bewegen, maar ze kunnen niet om andere elektronen heen, " zei Hulet, Rice's Fayez Sarofim hoogleraar natuurkunde. "Als je energie aan het systeem toevoegt, Ze verplaatsen, maar omdat het fermionen zijn en geen ruimte kunnen delen, die beweging, of opwinding, veroorzaakt een soort kettingreactie.

"Eén elektron beweegt, en het duwt de volgende aan om te bewegen en die ernaast enzovoort, waardoor de energie die je hebt toegevoegd als een golf langs de draad naar beneden beweegt, ' zei Hulet. 'Die ene opwinding heeft overal in de draad een rimpeling veroorzaakt.'

In hun experimenten, Het team van Hulet gebruikte lithiumatomen als vervanging voor elektronen. De atomen worden gevangen en vertraagd met lasers die hun beweging tegenwerken. Hoe langzamer ze gaan, hoe kouder de lithiumatomen worden, en bij temperaturen die veel kouder zijn dan in de natuur, de atomen gedragen zich als elektronen. Er worden meer lasers gebruikt om optische golfgeleiders te vormen, eendimensionale buizen die breed genoeg zijn voor slechts één atoom. Ondanks de inspanning die nodig is om deze voorwaarden te scheppen, Hulet zei dat de experimenten een groot voordeel bieden.

"We kunnen een magnetisch veld gebruiken in ons experiment om de sterkte van de afstotende interactie tussen de lithiumatomen af ​​te stemmen, Hulet zei. "Bij het bestuderen van deze collectieven, of gecorreleerd elektronengedrag, interactiesterkte is een belangrijke factor. Sterkere of zwakkere elektroneninteracties kunnen geheel andere effecten teweegbrengen, maar het is buitengewoon moeilijk om dit met elektronen te bestuderen vanwege het onvermogen om interacties direct te controleren. Met ultrakoude atomen, we kunnen de interactiesterkte in wezen naar elk gewenst niveau instellen en kijken wat er gebeurt."

Terwijl eerdere groepen de snelheid van collectieve golven in nanodraden en in gassen van ultrakoude atomen hebben gemeten, niemand had het gemeten als een functie van interactiesterkte, zei Hulet.

"Er wordt voorspeld dat ladingsexcitaties sneller zullen bewegen met toenemende interactiesterkte, en dat hebben we laten zien, "zei hij. "Thierry Giamarchi, die letterlijk het boek over dit onderwerp schreef, gebruikte TLL-theorie om te voorspellen hoe de ladingsgolf zich zou gedragen in onze ultrakoude atomen, en zijn voorspellingen werden bevestigd in onze experimenten."

Het hebben van dat vermogen om interacties te beheersen, vormt ook de basis voor het testen van de volgende TLL-voorspelling:de snelheid van ladingsgolven en spingolven divergeren met toenemende interactiesterkte, wat betekent dat als elektronen elkaar met grotere kracht afstoten, ladingsgolven zullen sneller reizen en spingolven zullen langzamer reizen.

Nu het team het voorspelde gedrag van ladingsgolven heeft geverifieerd, Hulet zei dat ze vervolgens van plan zijn om spingolven te meten om te zien of ze zich gedragen zoals voorspeld.

"Het 1D-systeem is een paradigma voor sterk gecorreleerde elektronenfysica, die een sleutelrol speelt in veel dingen die we beter willen begrijpen, zoals supergeleiding bij hoge temperaturen, zware fermionmaterialen en meer, ' zei Hulet.