Der Quantensimulator zeigt, wie sich Teile von Elektronen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in 1D bewegen

Ein Quantensimulator an der Rice University gibt Physikern einen klaren Einblick in die Spin-Ladungs-Trennung, die Version der Quantenwelt der Illusion des Magiers, eine Person in zwei Hälften zu zersägen.

Erschienen diese Woche in Wissenschafthat die Forschung Auswirkungen auf Quantencomputing und Elektronik mit Drähten im Atommaßstab.

Elektronen sind winzige, subatomare Teilchen, die nicht geteilt werden können. Trotzdem schreibt die Quantenmechanik vor, dass sich zwei ihrer Attribute – Spin und Ladung – in eindimensionalen Drähten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen.

Die Rice-Physiker Randy Hulet, Ruwan Senaratne und Danyel Cavazos bauten einen ultrakalten Ort, an dem sie wiederholt eine unberührte Version dieses Quantenspektakels betrachten und fotografieren konnten, und sie arbeiteten mit Theoretikern aus Rice, China, Australien und Italien an den veröffentlichten Ergebnissen.

Quantensimulatoren nutzen Quanteneigenschaften realer Objekte wie Atome, Ionen oder Moleküle, um Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen Computern nur schwer oder gar nicht zu lösen sind. Der Spin-Charge-Simulator von Rice verwendet Lithiumatome als Ersatz für Elektronen und einen Lichtkanal anstelle eines elektronischen 1D-Drahtes.

Das Universum wird von Hitze überschwemmt, die das Quantenverhalten von Atomen verdeckt. Um Quanteneffekte in Lithium wahrzunehmen, verwendete Hulets Team Laserkühlung, um seine Atome 1 Million Mal kälter zu machen als das kälteste natürliche Objekt im Universum. Zusätzliche Laser erzeugten den 1D-Lichtkanal oder optischen Wellenleiter.

Ideal verwirklicht

Elektronen sind antisoziale Quantenteilchen, die sich weigern, den Raum miteinander zu teilen. Spin-Ladungs-Trennung ist eine Manifestation dieser gegenseitigen Abneigung in 1D. Es wurde vor etwa 60 Jahren von den Physikern Shinichiro Tomonaga und Joaquin Luttinger theoretisch formuliert. Die Messung in elektronischen Materialien hat sich jedoch als außerordentlich schwierig erwiesen.

Hulet, Fayez Sarofim-Professor für Physik bei Rice und Mitglied der Rice Quantum Initiative, sagte, der Simulator könne die Physik der Spin-Ladungs-Trennung auf eine Weise untersuchen, die zuvor nicht möglich war.

„Die Leute haben Spin-Ladungs-Trennung in Festkörpermaterialien beobachtet, aber sie haben es nicht auf sehr saubere oder quantitative Weise gesehen“, sagte Hulet. „Unser Experiment ist wirklich das erste, das quantifizierbare Messwerte liefert, die mit einer nahezu exakten Theorie verglichen werden können.“

Echte Materialien haben Unvollkommenheiten, aber die Theorie von Tomonaga und Luttinger beschreibt das Verhalten von Elektronen in einem makellosen 1D-Draht. Die neue Simulation zeigt das Verhalten echter Quantenteilchen in einer unberührten Umgebung, ähnlich dem theoretischen Ideal.

„Kalte Atome geben uns die Möglichkeit, die Stärke der Wechselwirkung zwischen Partikeln abzustimmen, was einen fast lehrbuchmäßigen Vergleich mit der Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeitstheorie ermöglicht“, sagte Hulet.

Weniger Dimensionen, andere Physik

Wenn ein Elektron auf ein anderes trifft, überträgt es Energie, die das getroffene Elektron in einen höheren Energiezustand anregen kann. In einem 3D-Material schießt das angeregte Elektron weg, kollidiert mit etwas, verliert etwas Energie, rast in eine neue Richtung, um mit etwas anderem zu kollidieren und so weiter. Aber das kann in 1D nicht passieren.

„In 1D ist jede Erregung kollektiv“, sagte Hulet. „Wenn Sie ein Elektron in einen 1D-Draht schieben, drückt es auf das daneben und es drückt auf das daneben und so weiter.“

Senaratne, ein Forscher in Hulets Labor, sagte: „Sie können sich nicht umeinander bewegen. Sie sind in einer Reihe gefangen. Wenn Sie einen von ihnen bewegen, müssen Sie sie alle bewegen 1D-Draht sind notwendigerweise kollektiv.“

Wenn Elektronen in 1D kollidieren, laufen Erregungen in Wellen über den Draht. Tomonaga und Luttinger erkannten, dass Wellen der Spinanregung sich langsamer bewegen würden als Ladungswellen. Aber Hulet sagte, es sei falsch, sich diese Trennung als die Spaltung eines Elektrons oder, im Fall des Simulators, als die Spaltung eines Lithiumatoms vorzustellen.

„Es ist nicht intuitiv“, sagte er. „Man muss sich Materie vorstellen, die als Wellen existiert.“

Geschwindigkeiten vergleichen

Im Jahr 2018 stellte Hulets Gruppe einen 1D-Simulator her, der das Äquivalent von Ladungswellen anregen konnte, und sein Team maß, wie schnell sich die Wellen bewegten. Um das Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeitsmodell zu testen, mussten sie die Geschwindigkeit dieser Ladungswellen mit der Geschwindigkeit von Spinwellen vergleichen, die sich entlang der Leitung bewegen.

„Damals konnten wir keine Spinwellen anregen, aber Ruwan und Danyel haben ein System zusammengestellt, das dies konnte“, sagte Hulet. „Wir mussten eine technische Hürde im Zusammenhang mit einem Prozess überwinden, der als spontane Emission bezeichnet wird.“

Cavazos sagte: „Der Effekt, den wir zu sehen versuchen, ist ein wenig subtil. Wenn Sie ihn also zu sehr stören, wird er einfach weggespült. Eine Analogie wäre, wenn wir versuchen würden, ein Bild von etwas zu machen, aber das Der Blitz beschädigte das, was wir zu fotografieren versuchten. Also mussten wir die Farbe des Blitzes ändern, in dieser Analogie, um ihn sanfter zu machen. Wir änderten auch das System ein wenig, damit es nicht mehr so ​​zerbrechlich war wie zuvor. Das Kombination ermöglichte es uns, den subtilen Effekt tatsächlich zu sehen.“

Die experimentellen Daten stimmten eng mit Vorhersagen aus einer hochmodernen theoretischen Berechnung überein, die von den Forschungsgruppen des Studienkoautors Xi-Wen Guan sowohl an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Australian National University als auch des Koautors Han Pu at durchgeführt wurde Reis.

1D zählt

„Da integrierte Schaltkreise immer kleiner werden, müssen Chiphersteller anfangen, sich Gedanken über die Dimensionalität zu machen“, sagte Hulet. „Ihre Schaltkreise werden schließlich zu einem eindimensionalen System, das Elektronen genauso leiten und transportieren muss wie die eindimensionalen Drähte, über die wir gesprochen haben.“

Die Forschung könnte auch die Entwicklung einer Technologie für topologische Quantencomputer unterstützen, die Informationen in Qubits kodieren würden, die frei von der Dekohärenz sind, die heutige Quantencomputer plagt. Microsoft und andere hoffen, topologische Qubits mit Quantenpartikeln namens Majorana-Fermionen zu erstellen, die in einigen 1D- oder 2D-Supraleitern vorkommen können. Hulets langfristiges Ziel ist es, eine Art 1D-Supraleiter zu simulieren, der Majorana-Fermionen beherbergen kann, und er sagte, der Bericht dieser Woche sei ein großer Schritt in Richtung dieses Ziels.

„Wir lernen im Laufe der Zeit etwas über diese Systeme“, sagte er. „Es ist wichtig, dass jemand die Grundlagen macht, lernt, wie man Dinge experimentell manipuliert, was die Beobachtungen bedeuten und wie man sie versteht. Diese Arbeit ist ein bedeutender Schritt. Sie zeigt unsere Fähigkeit, Experimente an einem System durchzuführen, das ein Ein- dimensionaler Supraleiter.“

Weitere Co-Autoren sind Ya-Ting Chang und Aashish Kafle von Rice, Sheng Wang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Feng He von der International School for Advanced Studies und dem Italian National Institute of Nuclear Physics in Triest.