Rice University fysiker Matthew Foster och Seth Davis vill se ett irriterande kvantpussel från ett helt nytt perspektiv. De behöver bara rätt utsiktspunkt och en plats kallare än djupa rymden.

"Det finns en process i starkt interagerande fysik där fundamentala partiklar, som elektroner, kan komma samman och bete sig som om de vore en bråkdel av en elektron, sa Davis, en doktorand i Fosters forskargrupp. "Det kallas fraktionering. Det är en riktigt exotisk, grundläggande process som visar sig teoretiskt på många ställen. Det kan ha något att göra med supraledning vid hög temperatur, och det kan vara användbart för att bygga kvantdatorer. Men det är väldigt svårt att förstå och ännu svårare att mäta."

I en färsk tidning i Fysiska granskningsbrev , Foster och Davis, både teoretiska fysiker, föreslog ett experiment för att mäta fraktionering inte i elektroner utan i atomer så kalla att de följer samma kvantregler som dikterar hur elektroner beter sig i kvantmaterial, en växande klass av material med exotiska elektroniska och fysiska egenskaper som regeringar och industri letar efter nästa generations datorer och elektroniska enheter.

Kvantmaterial inkluderar högtemperatursupraledare, ett av fysikens mest förbryllande mysterier, och material som uppvisar topologiska faser, som gav sina upptäckare 2016 års Nobelpris i fysik. Det senare är det enda stället där fysiker entydigt har mätt fraktionering, i ett exotiskt elektroniskt tillstånd som kallas fraktionell kvant Hall-effekt. I detta tillstånd, platta tvådimensionella material leder elektricitet endast längs sina endimensionella kanter.

"Det är ett 2D-exempel, sa Foster, biträdande professor i fysik och astronomi vid Rice. "Och det är tydligt att fraktionering sker där för om man mäter konduktansen för dessa kanttillstånd beter sig de som om de var gjorda av partiklar som beter sig som en tredjedel av en elektron.

"Det finns inga riktiga partiklar som bär en tredjedel av den elektriska laddningen, " sa han. "Det är bara effekten av att alla elektroner rör sig tillsammans på ett sådant sätt att om du skapar en lokal excitation, den kommer att bete sig som en elektron med en tredjedel av en laddning."

Foster och Davis sa att den främsta motivationen för att beskriva deras ultrakalla atomtest var att kunna observera fraktionering i ett system som skiljer sig mycket från exemplet med fraktionerad kvant Hall.

"Vad vi siktar på är att bara se den här fysiken i ett annat sammanhang på ett entydigt sätt, sa Foster, medlem av Rice's Center for Quantum Materials (RCQM).

Deras föreslagna experiment kräver att laserkylningsatomer ska fungera som stand-ins för elektroner. I sådana experiment, lasrar motverkar atomernas rörelse, gradvis sakta ner dem till kallare och kallare temperaturer. De kalla atomerna fångas av andra lasrar som bildar optiska vågledare, endimensionella kanaler där atomer kan röra sig åt vänster eller höger men inte kan gå runt varandra. Atomernas kvantbeteende i dessa endimensionella guider efterliknar beteendet hos elektroner i 1D-ledningar.

"Alla individuella delar av experimentet har utvecklats, men vi tror inte att de har satts ihop i en enda experimentell uppsättning, "Foster sa. "Det är där vi behöver hjälp av experimentalister som är experter på laserkylning."

För att observera fraktionering i ett ultrakallt system, Foster och Davis föreslår att skapa en uppsättning parallella 1D-vågledare som alla är i samma tvådimensionella plan. Några ytterligare atomer skulle befolka 1D-guiderna nära mitten av experimentet.

"Så vi börjar med 1D-kablarna, ' eller guider, och den initiala tätheten i mitten, och sedan släpper vi några av lasrarna och låter atomerna interagera mellan ledningarna i ett slags 2D-nät, " sa Foster. "Vi kan mycket exakt beskriva 1D-systemet, där starka interaktioner gör att atomerna beter sig på ett korrelerat sätt. Eftersom hela systemet är kvantmekaniskt och koherent, dessa korrelationer bör märkas på 2-D-systemet.

"Vår sond släpper den där extra tätheten och ser vad den gör, " sa han. "Om atomerna i 1D-guiderna inte interagerar, då kommer bulan bara att breda ut sig mellan ledningarna. Men, om det förekom initial fraktionering på grund av korrelerade effekter i ledningarna, vad vi med säkerhet kan beräkna är att densiteten kommer att göra något helt annat. Det kommer att gå åt andra hållet, flyger ner i ledningarna."

Foster sa att han är intresserad av att diskutera genomförbarheten av testet med ultrakalla atomexperimentalister.

"Vi vet att det kan ta år att bygga och fullända några av de experimentella uppsättningarna för den här typen av experiment, " sa Foster. "Som teoretiker, vi vet vilka ingredienser vi behöver, men vi vet inte vilka som kommer att vara mest utmanande att implementera eller om det kan vara lättare att ändra vissa inställningar i motsats till andra. Det är där vi kommer att behöva hjälp av våra experimentella kollegor."