Kvantesimulator viste delingen av et elektron i deler i endimensjonalt rom

Fysikere ved Rice University brukte ultrakalde atomer og en endimensjonal lyskanal for å

modellering av elektroner i endimensjonale ledninger ogstuderer hvordan to av deres iboende egenskaper – rotasjon (spin) og ladning – forplanter seg ved forskjellige hastigheter. De eksperimentelle resultatene, publisert i Science, gjorde det for første gang mulig å oppnå kvantitative målinger som kan sammenlignes med de som er forutsagt teoretisk.

Elektroner er fermioner, antisosialekvantepartikler som nekter å dele plass med hverandre, forklarer forfatterne av studien. I følge Pauli-eksklusjonsprinsippet kan ikke to eller flere identiske fermioner samtidig være i samme kvantetilstand i et kvantesystem.

Separasjon av spinn og ladninger er en manifestasjonslik gjensidig aversjon i endimensjonalt rom. Fysikerne Shinichiro Tomonaga og Joaquin Luttinger utviklet en teoretisk modell for 1D-elektronadferd, kjent som Luttinger-væsken, for rundt 60 år siden, men så langt har det vært nesten umulig å måle effekten kvantitativt.

Modell av eksperimentet med opprettelsen av en spinnbølge(tilsvarende for en ladningsbølge). En laserstråle (øverst til venstre) lager kollektive bølger i ledningen som overfører enten spinn eller ladning. Spinnet skal peke opp (blått) eller ned (rødt) og atomene med motsatt spinn ordner seg naturlig i et vekslende mønster (øverste rad). Bølgen overfører spinnet, og endrer suksessivt naboverdier. Illustrasjon: Ella Maru Studio, R. Hulet, Rice University

Kvantesimulatorer bruker kvanteegenskaper til virkelige objekter, som atomer, ioner eller molekyler, for å løse problemer som er vanskelige eller umulige å løse med konvensjonelle datamaskiner. I Rice Universitys spinnladningssimulator erstatter ultrakalde litiumatomer elektroner, og lyskanalen er en endimensjonal ledning.

Når ett elektron kolliderer med et annet, blir detoverfører energi som bringer sistnevnte til en høyere energitilstand. I et 3D-materiale blir et opphisset elektron ført bort, kolliderer med noe, mister litt energi, flyr i en ny retning for å kollidere med noe annet, og så videre, forklarer forskerne.

I det endimensjonale rommet til ledningen vil bevegelsen værekollektivt: når du "trykker" på ett elektron, overfører det trykk til det neste, og så videre. Tomonaga og Luttinger spådde at spinneksitasjonsbølger ville reise langsommere enn ladningsbølger. Eksperimentelle data bekreftet denne teorien, med bølgeutbredelseshastighetene som nøyaktig samsvarte med spådommene til moderne beregninger for Luttinger-væsken.

Forskere observerte separasjon av spinn og ladningi faststoffmaterialer, men de så det ikke i en klar eller kvantifiserbar form. Eksperimentet vårt er faktisk det første hvor det oppnås kvantitative målinger som kan sammenlignes med en nesten eksakt teori.

Randy Hewlett, fysiker ved Rice University og medforfatter av studien

Forfatterne av arbeidet bemerker at resultatene ikke er detikke bare teoretisk, men også praktisk. Den konstante reduksjonen i volumet av mikrokretser fører til dannelse av ledninger nær endimensjonalt rom, noe som betyr at kvanteeffekter vil begynne å påvirke driften av slike enheter. I tillegg vil forskningen hjelpe i utviklingen av teknologi for topologiske kvantedatamaskiner som skal kode informasjon i dekoherensfrie qubits.

Les mer:

Japanerne dumpet en gigantisk turbin i havet for å få endeløs energi fra strømmen.

Astronomer fra Japan har funnet en ukjent struktur i galaksen

Forskere filmet et "skjult" økosystem i en antarktisk elv