Rice University atomfysiker har verifierat en nyckelförutsägelse från en 55-årig teori om endimensionell elektronik som blir allt mer relevant tack vare Silicon Valley obevekliga strävan efter miniatyrisering.

"Chipmakers har krympt funktionsstorlekar på mikrochips i decennier, och enhetsfysiker undersöker nu användningen av nanotrådar och nanorör där kanalerna som elektroner passerar är nästan endimensionella, "sa Rice experimentfysiker Randy Hulet." Det är viktigt eftersom 1D är en annan bollspel när det gäller elektronkonduktans. Du behöver en ny modell, ett nytt sätt att representera verkligheten, att förstå det. "

Med IBM och andra engagerade i att införliva endimensionella kolnanorör i integrerade kretsar, chipdesigner kommer alltmer att behöva redogöra för 1D -effekter som uppstår genom att elektroner är fermioner, antisociala partiklar som inte vill dela utrymme.

De 1D-konsekvenserna av denna avskyvärdhet uppmärksammades av fysikerna Sin-Itiro Tomonaga och J.M. Luttinger, vars modell för 1D-elektronbeteende publicerades 1963. En viktig förutsägelse för Tomonaga-Luttinger-vätsketeorin (TLL) är att spännande en elektron i en 1D-tråd leder till ett kollektiv, organiserat svar från varje elektron i tråden.

Främling fortfarande, på grund av detta kollektiva beteende, TLL -teorin förutsäger att en elektron i rörelse i 1D till synes delar sig i två och reser med olika hastigheter, trots att elektroner är grundläggande partiklar som inte har några beståndsdelar. Denna märkliga uppbrott, känd som spin-charge separation, involverar istället två inneboende egenskaper hos elektronen - negativ laddning och vinkelmoment, eller "snurra".

I en studie online den här veckan i Fysiska granskningsbrev , Hulet, Universitetet i Genèves teoretiska fysiker Thierry Giamarchi och deras kollegor använde en annan typ av fermion - ultrakylda litiumatomer som svalnade till inom 100 miljarder av en grad av absolut noll - för att både verifiera den förutspådda hastigheten som laddningsvågor rör sig i 1D och erbjuda bekräftelse på att 1D -laddningsvågor öka deras hastighet i proportion till styrkan i interaktionen mellan dem.

"I en endimensionell tråd, elektroner kan röra sig till vänster eller till höger, men de kan inte gå runt andra elektroner, sa Hulet, Rice's Fayez Sarofim professor i fysik. "Om du tillför energi till systemet, de flyttar, men eftersom de är fermioner och inte kan dela utrymme, den rörelsen, eller excitation, orsakar en slags kedjereaktion.

"En elektron rör sig, och det knuffar till nästa att flytta och den bredvid den och så vidare, får energin du lagt till att röra sig neråt tråden som en våg, "Sa Hulet." Den enda excitationen har skapat en krusning överallt i tråden. "

I deras experiment, Hulets team använde litiumatomer som stand-ins för elektroner. Atomerna fångas upp och saktas ner med lasrar som motsätter sig deras rörelse. Ju långsammare de går, ju kallare litiumatomerna blir, och vid temperaturer som är mycket kallare än i naturen, atomerna beter sig som elektroner. Fler lasrar används för att bilda optiska vågledare, endimensionella rör tillräckligt breda för bara en atom. Trots den ansträngning som krävs för att skapa dessa förutsättningar, Hulet sa att experimenten erbjuder en stor fördel.

"Vi kan använda ett magnetfält i vårt experiment för att ställa in styrkan i den frånstötande interaktionen mellan litiumatomerna, "Sa Hulet." När jag studerade detta kollektiv, eller korrelerade elektronbeteenden, interaktionsstyrka är en viktig faktor. Starkare eller svagare elektroninteraktioner kan ge helt olika effekter, men det är utomordentligt svårt att studera detta med elektroner på grund av oförmågan att direkt styra interaktioner. Med ultrakylda atomer, vi kan i huvudsak dra interaktionsstyrkan till vilken nivå vi vill och se vad som händer. "

Medan tidigare grupper har mätt hastigheten på kollektiva vågor i nanotrådar och i gaser av ultrakylda atomer, ingen hade mätt det som en funktion av interaktionsstyrka, Sa Hulet.

"Ladda excitationer förväntas röra sig snabbare med ökande interaktionsstyrka, och vi visade det, "sa han." Thierry Giamarchi, som bokstavligen skrev boken om detta ämne, använde TLL -teorin för att förutsäga hur laddningsvågen skulle bete sig i våra ultrakylda atomer, och hans förutsägelser bekräftades i våra experiment. "

Att ha den förmågan att kontrollera interaktioner sätter också scenen för att testa nästa TLL -förutsägelse:Hastigheten på laddningsvågor och spinnvågor avviker med ökande interaktionsstyrka, vilket betyder att elektroner är gjorda för att avvisa varandra med större kraft, laddningsvågor kommer att resa snabbare och spinnvågor kommer att resa långsammare.

Nu när laget har verifierat det förutsagda beteendet hos laddningsvågor, Hulet sa att de nästa planerar att mäta snurrvågor för att se om de beter sig som förutsagt.

"1D -systemet är ett paradigm för starkt korrelerad elektronfysik, som spelar en nyckelroll i många saker som vi skulle vilja förstå bättre, som högtemperatur supraledning, tunga fermionmaterial och mer, "Sa Hulet.