Een kwantumsimulator aan de Rice University geeft natuurkundigen een duidelijk beeld van de scheiding van spinladingen, de kwantumwereldversie van de goochelaarsillusie om een ​​persoon doormidden te zagen.

Deze week gepubliceerd in Wetenschap , heeft het onderzoek implicaties voor kwantumcomputers en elektronica met draden op atoomschaal.

Elektronen zijn minuscule, subatomaire deeltjes die niet kunnen worden gedeeld. Desondanks dicteert de kwantummechanica dat twee van hun attributen - spin en lading - met verschillende snelheden in eendimensionale draden reizen.

Rijstfysici Randy Hulet, Ruwan Senaratne en Danyel Cavazos bouwden een ultrakoude locatie waar ze herhaaldelijk een ongerepte versie van dit kwantumspektakel konden bekijken en fotograferen, en ze werkten samen met theoretici uit Rice, China, Australië en Italië aan de gepubliceerde resultaten.

Kwantumsimulators maken gebruik van kwantumeigenschappen van echte objecten zoals atomen, ionen of moleculen om problemen op te lossen die moeilijk of onmogelijk zijn op te lossen met conventionele computers. De spin-ladingssimulator van Rice gebruikt lithiumatomen als stand-ins voor elektronen en een lichtkanaal in plaats van een 1D elektronische draad.

Het universum wordt overspoeld met hitte die het kwantumgedrag van atomen verduistert. Om kwantumeffecten in lithium waar te nemen, gebruikte het team van Hulet laserkoeling om de atomen 1 miljoen keer kouder te maken dan het koudste natuurlijke object in het universum. Extra lasers creëerden het 1D-lichtkanaal of optische golfgeleider.

Ideaal echt gemaakt

Elektronen zijn asociale kwantumdeeltjes die weigeren ruimte met elkaar te delen. Spin-lading scheiding is een manifestatie van die wederzijdse afkeer in 1D. Het werd ongeveer 60 jaar geleden theoretisch geformuleerd door natuurkundigen Shinichiro Tomonaga en Joaquin Luttinger. Maar het meten ervan in elektronische materialen is buitengewoon moeilijk gebleken.

Hulet, Fayez Sarofim-hoogleraar natuurkunde van Rice en lid van het Rice Quantum Initiative, zei dat de simulator de fysica van de scheiding van spinladingen kan onderzoeken op een manier die voorheen niet mogelijk was.

"Mensen hebben scheiding van spinladingen waargenomen in materialen in vaste toestand, maar ze hebben het niet op een erg schone of kwantitatieve manier gezien", zei Hulet. "Ons experiment is echt het eerste dat kwantificeerbare metingen levert die kunnen worden vergeleken met een bijna exacte theorie."

Echte materialen hebben onvolkomenheden, maar de theorie van Tomonaga en Luttinger beschrijft het gedrag van elektronen in een onberispelijke 1D-draad. De nieuwe simulatie onthult het gedrag van echte kwantumdeeltjes in een ongerepte omgeving die lijkt op het theoretische ideaal.

"Koude atomen geven ons de mogelijkheid om de kracht van de interactie tussen deeltjes af te stemmen, waardoor een bijna leerboekvergelijking mogelijk is met de Tomonaga-Luttinger Liquid-theorie," zei Hulet.

Minder dimensies, andere fysica

Wanneer het ene elektron een ander raakt, geeft het energie af die het getroffen elektron naar een hogere energietoestand kan brengen. In een 3D-materiaal zingt het geëxciteerde elektron weg, botst met iets, verliest een beetje energie, gaat weg in een nieuwe richting om met iets anders in botsing te komen, enzovoort. Maar dat kan niet in 1D.

"In 1D is elke opwinding collectief," zei Hulet. "Als je een elektron in een 1D-draad duwt, duwt het op degene ernaast, en het duwt op degene ernaast, enzovoort."

Senaratne, een onderzoekswetenschapper in het lab van Hulet, zei:"Ze kunnen niet om elkaar heen bewegen. Ze zitten opgesloten in een rij. Als je er een beweegt, moet je ze allemaal verplaatsen. Dat is de reden waarom excitaties van elektronen in een 1D-draad is noodzakelijkerwijs collectief."

Wanneer elektronen in 1D botsen, rimpelen excitaties in golven langs de draad. Tomonaga en Luttinger realiseerden zich dat golven van spin-excitatie langzamer zouden bewegen dan ladingsgolven. Maar Hulet zei dat het onjuist is om deze scheiding voor te stellen als de splitsing van een elektron of, in het geval van de simulator, de splitsing van een lithiumatoom.

"Het is niet intuïtief", zei hij. "Je moet je materie voorstellen die bestaat als golven."

Snelheden vergelijken

In 2018 maakte de groep van Hulet een 1D-simulator die het equivalent van ladingsgolven kon opwekken, en zijn team mat hoe snel de golven bewogen. Om het Tomonaga-Luttinger Liquid-model te testen, moesten ze de snelheid van die ladingsgolven vergelijken met de snelheid van spingolven die langs de lijn bewegen.

"We konden op dat moment geen spingolven opwekken, maar Ruwan en Danyel hebben een systeem samengesteld dat dat wel zou kunnen," zei Hulet. "We moesten een technische hindernis overwinnen die verband houdt met een proces dat spontane emissie wordt genoemd."

Cavazos zei:"Het effect dat we proberen te zien, is een beetje subtiel. Dus als je het te veel verstoort, wordt het gewoon weggespoeld. Een analogie zou zijn als we proberen een foto van iets te maken, maar de flitser was schadelijk voor wat we probeerden te fotograferen. Dus moesten we de kleur van de flits veranderen, in deze analogie, om het zachter te maken. We hebben ook het systeem een ​​beetje veranderd, zodat het niet zo kwetsbaar zou zijn als voorheen. Dat combinatie stelde ons in staat om het subtiele effect te zien."

De experimentele gegevens kwamen nauw overeen met voorspellingen van een ultramoderne theoretische berekening gemaakt door de onderzoeksgroepen van co-auteur Xi-Wen Guan aan zowel de Chinese Academie van Wetenschappen als de Australian National University en van co-auteur Han Pu op Rijst.

1D is belangrijk

"Naarmate geïntegreerde schakelingen kleiner worden, moeten chipmakers zich zorgen gaan maken over de dimensionaliteit", zei Hulet. "Hun circuits worden uiteindelijk een eendimensionaal systeem dat elektronen moet geleiden en transporteren op dezelfde manier als de eendimensionale draden waar we het over hadden."

Het onderzoek zou ook kunnen helpen bij de ontwikkeling van technologie voor topologische kwantumcomputers die informatie zouden coderen in qubits die vrij zijn van de decoherentie die de huidige kwantumcomputers teistert. Microsoft en anderen hopen topologische qubits te maken met kwantumdeeltjes die Majorana-fermionen worden genoemd en die in sommige 1D- of 2D-supergeleiders kunnen voorkomen. Het langetermijndoel van Hulet is om een ​​type 1D-supergeleider te simuleren die Majorana-fermionen kan bevatten, en hij zei dat het rapport van deze week een grote stap in de richting van dat doel vertegenwoordigt.

"We leren over deze systemen terwijl we bezig zijn," zei hij. "Het is belangrijk dat iemand de grondbeginselen doet, leert hoe je dingen experimenteel kunt manipuleren, wat de waarnemingen betekenen en hoe je ze begrijpt. Dit werk is een belangrijke stap. Het demonstreert ons vermogen om experimenten uit te voeren op een systeem dat een een- dimensionale supergeleider."

Andere co-auteurs zijn onder meer Ya-Ting Chang en Aashish Kafle of Rice, Sheng Wang van de Chinese Academie van Wetenschappen en Feng He van zowel de International School for Advanced Studies als het Italian National Institute of Nuclear Physics in Triëst. + Verder verkennen

Ultrakoude atomen gebruikt om de voorspelling van 1963 over 1-D-elektronen te verifiëren