Fizycy z Rice University wykorzystali do tego ultrazimne atomy i jednowymiarowy kanał świetlny
Elektrony to fermiony, antyspołecznecząstki kwantowe, które nie chcą dzielić ze sobą przestrzeni, wyjaśniają autorzy badania. Zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego dwa lub więcej identycznych fermionów nie może jednocześnie znajdować się w tym samym stanie kwantowym w układzie kwantowym.
Separacja spinów i ładunków jest przejawemtaka wzajemna niechęć w przestrzeni jednowymiarowej. Fizycy Shinichiro Tomonaga i Joaquin Luttinger opracowali teoretyczny model zachowania elektronów 1D, znany jako ciecz Luttingera, około 60 lat temu, ale jak dotąd prawie niemożliwe było ilościowe zmierzenie tego efektu.
Model eksperymentu z powstaniem fali spinowej(podobnie dla fali ładowania). Wiązka laserowa (na górze po lewej) wytwarza fale zbiorcze w przewodzie, które przenoszą spin lub ładunek. Spin powinien być skierowany w górę (niebieski) lub w dół (czerwony), a atomy o przeciwnym spinie naturalnie układają się w naprzemienny wzór (górny rząd). Fala przenosi spin, zmieniając kolejno sąsiednie wartości. Ilustracja: Ella Maru Studio, R. Hulet, Rice University
Symulatory kwantowe wykorzystują kwantwłaściwości rzeczywistych obiektów, takich jak atomy, jony lub cząsteczki, aby rozwiązać problemy, które są trudne lub niemożliwe do rozwiązania za pomocą konwencjonalnych komputerów. W symulatorze ładunku spinowego Rice University ultrazimne atomy litu zastępują elektrony, a kanał świetlny jest jednowymiarowym drutem.
Kiedy jeden elektron zderza się z drugim, toprzenosi energię, która przenosi go w wyższy stan energetyczny. W trójwymiarowym materiale wzbudzony elektron jest unoszony, zderza się z czymś, traci energię, leci w nowym kierunku, aby zderzyć się z czymś innym i tak dalej – wyjaśniają naukowcy.
W jednowymiarowej przestrzeni drutu ruch będziezbiorowy: kiedy „naciskasz” jeden elektron, przenosi ciśnienie na następny i tak dalej. Tomonaga i Luttinger przewidzieli, że fale wzbudzenia spinu będą poruszać się wolniej niż fale ładunku. Dane eksperymentalne potwierdziły tę teorię, a prędkości propagacji fal dokładnie odpowiadają przewidywaniom współczesnych obliczeń dla płynu Luttingera.
Naukowcy zaobserwowali oddzielenie spinu i ładunkuw materiałach półprzewodnikowych, ale nie widzieli tego w jasnej i wymiernej formie. Nasz eksperyment jest rzeczywiście pierwszym, w którym uzyskuje się pomiary ilościowe, które można porównać z prawie dokładną teorią.
Randy Hewlett, fizyk z Rice University i jeden z autorów badania
Autorzy pracy zauważają, że wyniki nie sąnie tylko teoretyczne, ale i praktyczne. Ciągłe zmniejszanie objętości mikroukładów prowadzi do tworzenia przewodów zbliżonych do przestrzeni jednowymiarowej, co oznacza, że efekty kwantowe zaczną wpływać na działanie takich urządzeń. Ponadto badania pomogą w opracowaniu technologii topologicznych komputerów kwantowych, które będą kodować informacje w kubitach wolnych od dekoherencji.
Czytaj więcej:
Japończycy wrzucili do oceanu gigantyczną turbinę, aby uzyskać nieskończoną energię z prądu.
Astronomowie z Japonii odkryli w galaktyce nieznaną strukturę
Naukowcy sfilmowali „ukryty” ekosystem w antarktycznej rzece