Natuurkundigen van Rice University gebruikten ultrakoude atomen en een eendimensionaal lichtkanaal
Elektronen zijn fermionen, asociaalkwantumdeeltjes die weigeren ruimte met elkaar te delen, leggen de auteurs van de studie uit. Volgens het Pauli-uitsluitingsprincipe kunnen twee of meer identieke fermionen niet tegelijkertijd in dezelfde kwantumtoestand in een kwantumsysteem zijn.
Scheiding van spins en ladingen is een manifestatiezo'n wederzijdse afkeer in een eendimensionale ruimte. Natuurkundigen Shinichiro Tomonaga en Joaquin Luttinger ontwikkelden ongeveer 60 jaar geleden een theoretisch model van 1D-elektronengedrag, bekend als de Luttinger-vloeistof, maar tot nu toe was het bijna onmogelijk om het effect kwantitatief te meten.
Model van het experiment met het creëren van een spingolf(vergelijkbaar met een ladingsgolf). Een laserstraal (linksboven) creëert collectieve golven in de draad die spin of lading overdragen. De spin moet naar boven (blauw) of naar beneden (rood) wijzen en de atomen met de tegenovergestelde spin rangschikken zich van nature in een afwisselend patroon (bovenste rij). De golf draagt de spin over en verandert achtereenvolgens naburige waarden. Illustratie: Ella Maru Studio, R. Hulet, Rice University
Quantumsimulators gebruiken 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. In de spinladingssimulator van Rice University vervangen ultrakoude lithiumatomen elektronen, en het lichtkanaal is een eendimensionale draad.
Als het ene elektron met het andere botst,brengt energie over die de laatste naar een hogere energietoestand brengt. In een 3D-materiaal wordt een aangeslagen elektron meegesleurd, botst met iets, verliest wat energie, vliegt in een nieuwe richting om met iets anders te botsen, enzovoort, leggen de wetenschappers uit.
In de eendimensionale ruimte van de draad zal de beweging zijncollectief: als je op het ene elektron "drukt", wordt de druk op het volgende overgedragen, enzovoort. Tomonaga en Luttinger voorspelden dat spin-excitatiegolven langzamer zouden reizen dan ladingsgolven. Experimentele gegevens bevestigden deze theorie, waarbij de voortplantingssnelheden van de golven exact overeenkwamen met de voorspellingen van moderne berekeningen voor de Luttinger-vloeistof.
Onderzoekers observeerden scheiding van spin en ladingin vastestofmaterialen, maar ze zagen het niet in een duidelijke of kwantificeerbare vorm. Ons experiment is inderdaad het eerste waarin kwantitatieve metingen worden verkregen die kunnen worden vergeleken met een bijna exacte theorie.
Randy Hewlett, fysicus van Rice University en co-auteur van de studie
De auteurs van het werk merken op dat de resultaten dat niet zijnniet alleen theoretisch maar ook praktisch. De constante vermindering van het volume van microschakelingen leidt tot het ontstaan van draden in de buurt van een eendimensionale ruimte, wat betekent dat kwantumeffecten de werking van dergelijke apparaten gaan beïnvloeden. Daarnaast zal het onderzoek helpen bij de ontwikkeling van technologie voor topologische kwantumcomputers die informatie coderen in decoherentievrije qubits.
Lees verder:
De Japanners hebben een gigantische turbine in de oceaan gedumpt om eindeloze energie uit de stroming te halen.
Astronomen uit Japan hebben een onbekende structuur in de melkweg gevonden
Onderzoekers filmden een 'verborgen' ecosysteem in een Antarctische rivier