In alledaagse voorwerpen, er is geen links zonder rechts of voorkant zonder achterkant. Net zo onafscheidelijk lijken de elektrische lading van het elektron en zijn 'spin' te zijn. Maar in een strikt eendimensionale kwantumwereld, beide kwantumeigenschappen zijn van elkaar te scheiden. Deze 50 jaar oude voorspelling is nu bevestigd door een experiment uitgevoerd door een team van het Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST).

Natuurkundigen van het Max Planck Institute for Quantum Optics in Garching spelen een hoofdrol. Voor hun succesvolle demonstratie, die nu in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap ("Time-Resolved Observation of Spin-Charge Deconfinement in Fermionic Hubbard Chains"), ze gebruikten een zogenaamde kwantumsimulator. Zo'n gespecialiseerde kwantumcomputer kan de kwantumeigenschappen van een materiaal nauwkeurig inschatten, wat tegenwoordig een onmogelijke uitdaging is voor conventionele supercomputers.

"Als wetenschapper als je aan een elektron denkt, je denkt aan een gebonden eenheid met een bepaalde elektrische lading en een bepaalde spin, " legt Jayadev Vijayan uit, doctoraat student in de groep van Christian Gross en Immanuel Bloch, directeur van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching. Spin kan worden voorgesteld als een soort kwantummechanische gyroscoop. Maar het is veel meer, omdat zijn speciale spin een elektron verandert in een fermion met kwantumeigenschappen die ook de basis vormen van de hedendaagse halfgeleiderelektronica.

Daarom, de lading en spin van een elektron worden beschouwd als onlosmakelijk met elkaar verbonden. Maar meer dan 50 jaar geleden, wetenschappers kwamen tot het verrassende besef dat in een strikt eendimensionale wereld, deze vertrouwde saamhorigheid van lading en spin zou kunnen worden gescheiden. Als je een open parelsnoer als een pijl recht trekt, je hebt eigenlijk zo'n eendimensionale wereld gecreëerd.

In het experiment, de parels zijn magnetische atomen. In elk van deze atomen bevindt zich een speciaal elektron waarvan de niet-afgeschermde spin het atoom in een kleine magnetische naald verandert. Omdat de tegenovergestelde polen van de magnetische naalden elkaar aantrekken, naburige magnetische naaldkralen op het touwtje zijn in tegengestelde richting uitgelijnd:een noordpool wijst in één positie naar boven, de volgende naburige noordpool naar beneden, dan de volgende maar weer één omhoog, het is dus een ketting van afwisselende spins die op en neer wijzen (zie figuur).

Dit is het startpunt van het experiment. De voorspelling zegt nu:als zo'n eendimensionale kwantumparelketting wordt verstoord, dan kunnen de lading en de spin van een elektron van elkaar scheiden in een atomaire parel. Dan moeten beide als twee afzonderlijke quasideeltjes langs de keten lopen. Deze quasideeltjes kunnen worden voorgesteld als een emmer water en een emmer zand, die in een brandblusketen met verschillende snelheden worden doorgegeven.

Het team uit München stond ook voor een experimentele uitdaging. De nanotechnologie van vandaag kan eendimensionale atomaire "parelkettingen" produceren.

"Maar de elektronen zijn gescheiden door een afstand in de orde van een tiende van een nanometer, ", legt de promovendus uit. Ongeveer een tiende van een miljardste meter is typerend voor de afstand tussen atomen in materialen. Dit is te klein om onder een microscoop waar te nemen, waardoor het onmogelijk is om hun gedrag te bestuderen.

De kwantumsimulator

Dit is waar de quantumsimulator van München in het spel komt. In principe, het werkt als het vervangen van het koord van het parelsnoer door een elastiekje. En de rubberen band wordt uit elkaar getrokken zodat de afstand tussen de atoomkralen ongeveer 10 is, 000 keer groter. Dit micrometerbereik kan nu worden opgelost door een lichtmicroscoop. De minuscule atomen worden zichtbaar wanneer ze door laserlicht oplichten.

In het experiment, het "elastiekje" bestaat uit een raster van elkaar kruisende laserlichtstralen. Elke lichtkruising werkt als een kleine val die een atoom vangt, in dit geval een lithiumatoom. Om ze te laten gedragen als elektronen in echte materialen, ze moeten eerst in vacuüm worden gekoeld tot ultra-lage temperaturen.

Lithiumatomen zijn fermionische, d.w.z., kleine magneten gedragen door een niet-afgeschermde elektronenspin. Nutsvoorzieningen, de natuurkundigen moesten een truc bedenken om deze spin zichtbaar te maken in hun kwantumsimulator. Om dit te doen, ze maken de ketenen van het licht korte tijd los in de aanwezigheid van een speciaal ontworpen magnetisch veld. Het resultaat:de atomen schuiven iets naar boven of naar beneden van de parelketting, afhankelijk van de richting waarin ze draaien.

Feynmans droom

Zodra de keten van atomen is voorbereid, de natuurkundigen trappen met laserlicht een atoom uit het midden van de keten. Deze verstoring, genaamd "doof, " creëert twee quasideeltjes in de keten. Het eerste quasideeltje is het gat achtergelaten door het uitgeworpen atoom. Dit "holon" bevat de kwantumeigenschap van de elektronenlading. Het tweede quasideeltje, genaamd de spinon, bestaat uit de twee aangrenzende parallelle spins achtergelaten door de holon gap. Vergeleken met de achtergrond van afwisselende spins die op en neer wijzen, deze spinon draagt ​​een overtollige spin van de quench.

Met hun kwantumsimulator, het team kon precies volgen hoe de twee verstoringen langs de atoomketen reizen. In feite, het bleek dat ze met verschillende snelheden bewegen en niet aan elkaar vastzitten. Opladen en draaien zijn dus volledig onafhankelijk van elkaar en perfect gescheiden - net als de water- en zandemmers in de brandblusketen.

Aan de ene kant, dit resultaat is opwindend vanuit het perspectief van fundamenteel onderzoek in de kwantumfysica. De scheidbaarheid van lading en spin zou ooit ook fascinerende toepassingen kunnen vinden in de kwantuminformatietechnologie. Bovenal, echter, het Garching-experiment toont met succes aan dat kwantumsimulatoren zich ontwikkelen tot een technologie om serieus te nemen.

In 1980, de beroemde Nobelprijswinnaar Richard Feynman droomde dat het mogelijk zou zijn om het gedrag van de kwantumsystemen van de materialen te begrijpen, die moeilijk experimenteel toegankelijk zijn, door analoge kwantumsystemen te gebruiken die perfect toegankelijk en controleerbaar waren. Zelfs conventionele supercomputers slagen er niet in om sommige van dergelijke kwantumsystemen precies te berekenen. Maar deze elegante mogelijkheid wordt geboden door ultrakoude atomen in lichtroosters.

"In de toekomst, dit zou het gerichte ontwerp van nieuwe materialen mogelijk kunnen maken die, bijvoorbeeld, supergeleidend worden bij kamertemperatuur, ", zegt Jayadev Vijayan. Feynmans droom van een kwantumsimulator wordt nu werkelijkheid.