I vardagliga föremål, det finns ingen vänster utan höger eller fram utan baksida. Lika oskiljaktig verkar vara elektronens elektriska laddning och dess "snurr". Men i en strikt endimensionell kvantvärld, båda kvantegenskaperna är separerbara från varandra. Denna 50-åriga förutsägelse har nu bekräftats av ett experiment utfört av ett team från Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST).

Fysiker från Max Planck Institute for Quantum Optics i Garching spelar en ledande roll. För deras framgångsrika demonstration, som nu publiceras i tidskriften Vetenskap ("Time-Resolved Observation of Spin-Charge Deconfinement in Fermionic Hubbard Chains"), de använde en så kallad kvantsimulator. En sådan specialiserad kvantdator kan exakt uppskatta kvantegenskaperna hos ett material, vilket är omöjligt utmanande för konventionella superdatorer idag.

"Som vetenskapsman, när du tänker på en elektron, du tänker på en bunden enhet med en viss elektrisk laddning och ett visst snurr, " förklarar Jayadev Vijayan, Ph.D. student i gruppen Christian Gross och Immanuel Bloch, direktör vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching. Spin kan föreställas som ett slags kvantmekaniskt gyroskop. Men det är mycket mer, eftersom dess speciella spinn förvandlar en elektron till en fermion med kvantegenskaper som också utgör grunden för dagens halvledarelektronik.

Därför, en elektrons laddning och spin anses vara oskiljaktigt förbundna. Men för mer än 50 år sedan, forskare kom till en överraskande insikt att i en strikt endimensionell värld, denna pålitliga sammanhållning av laddning och spinn skulle kunna separeras. Om du drar ett öppet pärlhalsband rakt som en pil, du har i princip skapat en sådan endimensionell värld.

I experimentet, pärlorna är magnetiska atomer. I var och en av dessa atomer finns en speciell elektron vars oskärmade spinn förvandlar atomen till en liten magnetisk nål. Eftersom magnetnålarnas motsatta poler attraherar varandra, intilliggande magnetiska nålpärlor på strängen riktas in i motsatta riktningar:en nordpol pekar i en position uppåt, nästa angränsande nordpol nedåt, sedan nästa men en uppåt igen, så det är en kedja av omväxlande snurr som pekar upp och ner (se figur).

Detta är startpunkten för experimentet. Förutsägelsen säger nu:Om en sådan endimensionell kvantpärlkedja störs, då kan en elektrons laddning och spinn separeras från varandra i en atompärla. Då ska båda löpa längs kedjan som två separata kvasipartiklar. Dessa kvasipartiklar kan föreställas som en hink med vatten och en hink med sand, som förs vidare i olika hastigheter i en brandsläckningskedja.

München-teamet stod också inför en experimentell utmaning. Dagens nanoteknik kan producera endimensionella atomära "pärlkedjor".

"Men elektronerna är åtskilda av ett avstånd i storleksordningen en tiondels nanometer, " förklarar doktoranden. Ungefär en tiondels miljarddels meter är typiskt för avståndet mellan atomer i material. Detta är för litet för att observera i mikroskop, gör det omöjligt att studera deras beteende.

Kvantsimulatorn

Det är här Münchens kvantsimulator kommer in i bilden. I princip, det fungerar som att byta ut pärlhalsbandets sträng mot ett gummiband. Och gummibandet dras isär så att avståndet mellan atompärlorna är ungefär 10, 000 gånger större. Detta mikrometerområde kan nu lösas med ett ljusmikroskop. De små atomerna blir synliga när laserljus får dem att lysa upp.

I experimentet, "gummibandet" består av ett rutnät av korsande laserljusstrålar. Varje ljuskorsning fungerar som en liten fälla som fångar en atom, i detta fall en litiumatom. För att få dem att bete sig som elektroner i verkliga material, de måste först kylas till ultralåga temperaturer i vakuum.

Litiumatomer är fermioniska, dvs. små magneter som bärs av ett oskärmat elektronsnurr. Nu, fysikerna var tvungna att hitta på ett knep för att göra detta snurr synligt i deras kvantsimulator. Att göra detta, de lossar ljusets bojor under en kort stund i närvaro av ett speciellt designat magnetfält. Resultatet:Atomerna skärs något uppåt eller nedåt från pärlkedjan, beroende på riktningen för deras spin.

Feynmans dröm

Så snart atomkedjan är förberedd, fysikerna sparkar ut en atom ur mitten av kedjan med laserljus. Denna störning, kallas "släcka, " skapar två kvasipartiklar i kedjan. Den första kvasipartikeln är hålet som lämnas av den utstötta atomen. Detta "holon" innehåller elektronladdningens kvantegenskap. Den andra kvasipartikeln, kallas spinon, består av de två intilliggande parallella spinn som lämnas kvar av holongapet. Jämfört med bakgrunden av alternerande snurr som pekar upp och ner, denna spinon bär ett överskott av spinn från släckningen.

Med sin kvantsimulator, teamet kunde följa exakt hur de två störningarna färdas längs atomkedjan. Faktiskt, det visade sig att de rör sig i olika hastigheter och inte är sammanbundna. Laddning och spinn är alltså helt oberoende av varandra och perfekt åtskilda — precis som vatten- och sandhinkarna i brandsläckningskedjan.

Å ena sidan, detta resultat är spännande ur perspektivet av grundforskning inom kvantfysik. Separbarheten av laddning och spin kan en dag också hitta fascinerande tillämpningar inom kvantinformationsteknologi. Framför allt, dock, Garching-experimentet visar framgångsrikt att kvantsimulatorer utvecklas till en teknik som ska tas på allvar.

På 1980-talet den berömde Nobelpristagaren Richard Feynman drömde att det skulle vara möjligt att förstå beteendet hos materialens kvantsystem, som är svåra att komma åt experimentellt, genom att använda analoga kvantsystem som var perfekt tillgängliga och kontrollerbara. Även konventionella superdatorer misslyckas med att beräkna vissa av sådana kvantsystem exakt. Men denna eleganta möjlighet erbjuds av ultrakalla atomer i ljusnät.

"I framtiden, detta kan möjliggöra målinriktad design av nya material som, till exempel, blir supraledande vid rumstemperatur, " säger Jayadev Vijayan. Feynmans dröm om en kvantsimulator börjar nu bli verklighet.