Simulatorul cuantic a arătat împărțirea unui electron în părți într-un spațiu unidimensional

Fizicienii de la Universitatea Rice au folosit atomi ultrareci și un canal de lumină unidimensional

modelarea electronilor în fire unidimensionale şistudiind modul în care două dintre proprietățile lor intrinseci — rotația (rotirea) și sarcina — se propagă la viteze diferite. Rezultatele experimentale, publicate în Science, au făcut posibilă pentru prima dată obținerea unor măsurători cantitative comparabile cu cele prezise teoretic.

Electronii sunt fermioni, antisocialiparticulele cuantice care refuză să împartă spațiu între ele, explică autorii studiului. Conform principiului de excludere Pauli, doi sau mai mulți fermioni identici nu pot fi simultan în aceeași stare cuantică într-un sistem cuantic.

Separarea învârtirilor și a sarcinilor este o manifestareo astfel de aversiune reciprocă în spațiul unidimensional. Fizicienii Shinichiro Tomonaga și Joaquin Luttinger au dezvoltat un model teoretic al comportamentului electronilor 1D, cunoscut sub numele de lichid Luttinger, în urmă cu aproximativ 60 de ani, dar până acum a fost aproape imposibil să se măsoare efectul cantitativ.

Modelul experimentului cu crearea unui val de spin(în mod similar pentru o undă de încărcare). Un fascicul laser (stânga sus) creează unde colective în fir care transferă fie spin, fie încărcare. Spinul ar trebui să indice în sus (albastru) sau în jos (roșu), iar atomii cu spin opus se aranjează în mod natural într-un model alternativ (rândul de sus). Unda transferă spinul, schimbând succesiv valorile învecinate. Ilustrație: Ella Maru Studio, R. Hulet, Universitatea Rice

Simulatoarele cuantice folosesc cuanticaproprietățile obiectelor reale, cum ar fi atomii, ionii sau moleculele, pentru a rezolva probleme care sunt dificil sau imposibil de rezolvat cu computerele convenționale. În simulatorul de sarcină de spin al Universității Rice, atomii de litiu ultrareci înlocuiesc electronii, iar canalul de lumină este un fir unidimensional.

Când un electron se ciocnește de altul, acestatransferă energie care îl aduce pe acesta din urmă într-o stare energetică superioară. Într-un material 3D, un electron excitat este purtat, se ciocnește cu ceva, pierde ceva energie, zboară într-o nouă direcție pentru a se ciocni cu altceva și așa mai departe, explică oamenii de știință.

În spațiul unidimensional al firului, mișcarea va ficolectiv: atunci când „apăsați” pe un electron, acesta transferă presiunea la următorul și așa mai departe. Tomonaga și Luttinger au prezis că undele de excitație de spin vor călători mai lent decât undele de încărcare. Datele experimentale au confirmat această teorie, vitezele de propagare a undelor se potrivesc exact cu predicțiile calculelor moderne pentru fluidul Luttinger.

Cercetătorii au observat separarea spinului și a sarciniiîn materiale în stare solidă, dar nu l-au văzut într-o formă clară sau cuantificabilă. Experimentul nostru este într-adevăr primul în care se obțin măsurători cantitative care pot fi comparate cu o teorie aproape exactă.

Randy Hewlett, fizician la Universitatea Rice și coautor al studiului

Autorii lucrării notează că rezultatele nu suntnu numai teoretic, ci și practic. Reducerea constantă a volumului microcircuitelor duce la crearea de fire aproape de spațiul unidimensional, ceea ce înseamnă că efectele cuantice vor începe să afecteze funcționarea unor astfel de dispozitive. În plus, cercetarea va ajuta la dezvoltarea tehnologiei pentru calculatoarele cuantice topologice care vor codifica informații în qubiți fără decoerență.

Citeste mai mult:

Japonezii au aruncat o turbină uriașă în ocean pentru a obține energie nesfârșită din curent.

Astronomii din Japonia au descoperit o structură necunoscută în galaxie

Cercetătorii au filmat un ecosistem „ascuns” într-un râu antarctic