En kvantsimulator vid Rice University ger fysiker en tydlig titt på spin-laddningsseparation, kvantvärldens version av magikerns illusion av att såga en person på mitten.

Publicerad den här veckan i Science , forskningen har implikationer för kvantberäkningar och elektronik med ledningar i atomskala.

Elektroner är små, subatomära partiklar som inte kan delas. Trots detta dikterar kvantmekaniken att två av deras attribut – spinn och laddning – färdas med olika hastigheter i endimensionella ledningar.

Risfysikerna Randy Hulet, Ruwan Senaratne och Danyel Cavazos byggde en ultrakall lokal där de upprepade gånger kunde se och fotografera en orörd version av detta kvantspektakel, och de samarbetade med teoretiker från Rice, Kina, Australien och Italien om de publicerade resultaten.

Kvantsimulatorer utnyttjar kvantegenskaper hos verkliga objekt som atomer, joner eller molekyler för att lösa problem som är svåra eller omöjliga att lösa med konventionella datorer. Rice's spin-charge simulator använder litiumatomer som stand-ins för elektroner och en ljuskanal i stället för en 1D elektronisk tråd.

Universum är översvämmat av värme som skymmer atomernas kvantbeteende. För att uppfatta kvanteffekter i litium använde Hulets team laserkylning för att göra dess atomer 1 miljon gånger kallare än det kallaste naturliga objektet i universum. Ytterligare lasrar skapade 1D-ljuskanalen, eller den optiska vågledaren.

Ideal gjort verklig

Elektroner är antisociala kvantpartiklar som vägrar dela utrymme med varandra. Spin-laddningsseparation är en manifestation av det ömsesidiga avsky i 1D. Den formulerades teoretiskt av fysikerna Shinichiro Tomonaga och Joaquin Luttinger för cirka 60 år sedan. Men att mäta det i elektroniskt material har visat sig vara utomordentligt svårt.

Hulet, Fayez Sarofims professor i fysik från Rice och medlem av Rice Quantum Initiative, sa att simulatorn kan undersöka fysiken kring spin-laddningsseparation på ett sätt som tidigare inte har varit möjligt.

"Människor har observerat spin-laddningsseparation i fasta material, men de har inte sett det på ett mycket rent eller kvantitativt sätt," sa Hulet. "Vårt experiment är verkligen det första som levererar kvantifierbara mätningar som kan jämföras med en nästan exakt teori."

Verkliga material har brister, men Tomonaga och Luttingers teori beskriver elektronernas beteende i en felfri 1D-tråd. Den nya simuleringen avslöjar beteendet hos verkliga kvantpartiklar i en orörd miljö som liknar det teoretiska idealet.

"Kalla atomer ger oss möjligheten att justera styrkan i interaktionen mellan partiklar, vilket möjliggör en nästan läroboksjämförelse med Tomonaga-Luttingers flytande teori," sa Hulet.

Färre dimensioner, annan fysik

När en elektron träffar en annan ger den energi som kan excitera den träffade elektronen till ett högre energitillstånd. I ett 3D-material svänger den upphetsade elektronen iväg, kolliderar med något, tappar lite energi, karamerer iväg i en ny riktning för att kollidera med något annat och så vidare. Men det kan inte hända i 1D.

"I 1D är varje excitation kollektiv," sa Hulet. "Om du trycker in en elektron i en 1D-tråd, trycker den på den bredvid den, och den trycker på den bredvid, och så vidare."

Senaratne, en forskare i Hulets labb, sa:"De kan inte röra sig runt varandra. De är fångade i en linje. Om du flyttar en av dem måste du flytta dem alla. Det är därför excitationer av elektroner i en 1D-tråd är nödvändigtvis kollektivt."

När elektroner kolliderar i 1D, krusar excitationer nerför tråden i vågor. Tomonaga och Luttinger insåg att vågor av spinnexcitation skulle röra sig långsammare än laddningsvågor. Men Hulet sa att det är felaktigt att föreställa sig denna separation som delning av en elektron eller, i simulatorns fall, delning av en litiumatom.

"Det är inte intuitivt", sa han. "Du måste föreställa dig att materia existerar som vågor."

Jämföra hastigheter

2018 gjorde Hulets grupp en 1D-simulator som kunde excitera motsvarigheten till laddningsvågor, och hans team mätte hur snabbt vågorna rörde sig. För att testa Tomonaga-Luttinger Liquid-modellen behövde de jämföra hastigheten på dessa laddningsvågor med hastigheten för spinnvågor som rörde sig längs linjen.

"Vi kunde inte excitera snurrvågor vid den tiden, men Ruwan och Danyel satte ihop ett system som kunde," sa Hulet. "Vi var tvungna att övervinna ett tekniskt hinder relaterat till en process som kallas spontan emission."

Cavazos sa, "Effekten vi försöker se, den är lite subtil. Så om du stör den för mycket kommer den bara att tvättas bort. En analogi skulle vara om vi försökte ta en bild av något, men blixten skadade det vi försökte fotografera. Så vi var tvungna att ändra färgen på blixten, i denna analogi, för att göra den mer skonsam. Vi ändrade också systemet lite så att den inte skulle vara lika ömtålig som tidigare. Det kombinationen gjorde att vi faktiskt kunde se den subtila effekten."

De experimentella data överensstämde nära med förutsägelser från en toppmodern teoretisk beräkning gjord av forskargrupperna av studiemedförfattaren Xi-Wen Guan vid både den kinesiska vetenskapsakademin och Australian National University och av medförfattaren Han Pu vid Ris.

1D är viktigt

"När integrerade kretsar blir mindre, måste chiptillverkare börja oroa sig för dimensionalitet," sa Hulet. "Deras kretsar blir så småningom ett endimensionellt system som måste leda och transportera elektroner på samma sätt som de endimensionella ledningar vi har pratat om."

Forskningen kan också hjälpa utvecklingen av teknologi för topologiska kvantdatorer som skulle koda information i qubits som är fria från den dekoherens som plågar dagens kvantdatorer. Microsoft och andra hoppas kunna skapa topologiska qubits med kvantpartiklar som kallas Majorana-fermioner som kan finnas i vissa 1D- eller 2D-supraledare. Hulets långsiktiga mål är att simulera en typ av 1D-supraledare som kan vara värd för Majorana-fermioner, och han sa att veckans rapport representerar ett stort steg mot det målet.

"Vi lär oss om dessa system allt eftersom", sa han. "Det är viktigt för någon att göra grunderna, lära sig hur man manipulerar saker experimentellt, vad observationerna betyder och hur man förstår dem. Det här arbetet är ett viktigt steg. Det visar vår förmåga att göra experiment på ett system som simulerar en dimensionell supraledare."

Ytterligare medförfattare inkluderar Ya-Ting Chang och Aashish Kafle of Rice, Sheng Wang från den kinesiska vetenskapsakademin och Feng He från både International School for Advanced Studies och Italian National Institute of Nuclear Physics i Trieste. + Utforska vidare

Ultrakalla atomer som används för att verifiera 1963 års förutsägelse om 1D-elektroner