Le simulateur quantique montre comment des parties d’électrons se déplacent à différentes vitesses en 1D

Un simulateur quantique à l’Université Rice donne aux physiciens un aperçu clair de la séparation spin-charge, la version du monde quantique de l’illusion du magicien de scier une personne en deux.

Publié cette semaine dans La sciencela recherche a des implications pour l’informatique quantique et l’électronique avec des fils à l’échelle atomique.

Les électrons sont de minuscules particules subatomiques qui ne peuvent pas être divisées. Malgré cela, la mécanique quantique dicte que deux de leurs attributs – le spin et la charge – se déplacent à des vitesses différentes dans des fils unidimensionnels.

Les physiciens de Rice Randy Hulet, Ruwan Senaratne et Danyel Cavazos ont construit une salle ultra-froide où ils pouvaient voir et photographier à plusieurs reprises une version immaculée de ce spectacle quantique, et ils ont collaboré avec des théoriciens de Rice, de Chine, d’Australie et d’Italie sur les résultats publiés.

Les simulateurs quantiques exploitent les propriétés quantiques d’objets réels tels que des atomes, des ions ou des molécules pour résoudre des problèmes difficiles ou impossibles à résoudre avec des ordinateurs conventionnels. Le simulateur de charge de spin de Rice utilise des atomes de lithium comme substituts pour les électrons et un canal de lumière à la place d’un fil électronique 1D.

L’univers est inondé de chaleur qui obscurcit le comportement quantique des atomes. Pour percevoir les effets quantiques du lithium, l’équipe de Hulet a utilisé le refroidissement par laser pour rendre ses atomes 1 million de fois plus froids que l’objet naturel le plus froid de l’univers. Des lasers supplémentaires ont créé le canal de lumière 1D, ou guide d’ondes optique.

L’idéal devenu réalité

Les électrons sont des particules quantiques antisociales qui refusent de partager l’espace entre elles. La séparation spin-charge est une manifestation de cette haine mutuelle en 1D. Il a été théoriquement formulé par les physiciens Shinichiro Tomonaga et Joaquin Luttinger il y a environ 60 ans. Mais la mesurer dans les matériaux électroniques s’est avéré extraordinairement difficile.

Hulet, professeur de physique Fayez Sarofim de Rice et membre de la Rice Quantum Initiative, a déclaré que le simulateur peut sonder la physique de la séparation spin-charge d’une manière qui n’était pas possible auparavant.

« Les gens ont observé une séparation spin-charge dans les matériaux à l’état solide, mais ils ne l’ont pas vue de manière très nette ou quantitative », a déclaré Hulet. « Notre expérience est vraiment la première à fournir des mesures quantifiables qui peuvent être comparées à une théorie presque exacte. »

Les vrais matériaux ont des imperfections, mais la théorie de Tomonaga et Luttinger décrit le comportement des électrons dans un fil 1D sans défaut. La nouvelle simulation révèle le comportement de particules quantiques réelles dans un cadre vierge proche de l’idéal théorique.

« Les atomes froids nous donnent la possibilité d’ajuster la force de l’interaction entre les particules, permettant une comparaison presque classique avec la théorie du liquide de Tomonaga-Luttinger », a déclaré Hulet.

Moins de dimensions, physique différente

Lorsqu’un électron en frappe un autre, il transmet de l’énergie qui peut exciter l’électron frappé à un état d’énergie plus élevé. Dans un matériau 3D, l’électron excité s’éloigne, entre en collision avec quelque chose, perd un peu d’énergie, s’élance dans une nouvelle direction pour entrer en collision avec autre chose, etc. Mais cela ne peut pas arriver en 1D.

« En 1D, chaque excitation est collective », a déclaré Hulet. « Si vous poussez un électron dans un fil 1D, il pousse sur celui à côté, et il pousse sur celui à côté, et ainsi de suite. »

Senaratne, un chercheur scientifique du laboratoire de Hulet, a déclaré: « Ils ne peuvent pas se déplacer les uns autour des autres. Ils sont piégés dans une ligne. Si vous déplacez l’un d’eux, vous devez tous les déplacer. C’est pourquoi les excitations d’électrons dans un Les fils 1D sont forcément collectifs. »

Lorsque les électrons entrent en collision en 1D, les excitations ondulent le long du fil par vagues. Tomonaga et Luttinger ont réalisé que les ondes d’excitation de spin se déplaceraient plus lentement que les ondes de charge. Mais Hulet a déclaré qu’il est incorrect d’imaginer cette séparation comme la séparation d’un électron ou, dans le cas du simulateur, la séparation d’un atome de lithium.

« Ce n’est pas intuitif », a-t-il déclaré. « Vous devez imaginer la matière existant sous forme d’ondes. »

Comparaison des vitesses

En 2018, le groupe de Hulet a créé un simulateur 1D qui pouvait exciter l’équivalent d’ondes de charge, et son équipe a mesuré la vitesse à laquelle les ondes se déplaçaient. Pour tester le modèle Tomonaga-Luttinger Liquid, ils devaient comparer la vitesse de ces ondes de charge avec la vitesse des ondes de spin se déplaçant le long de la ligne.

« Nous ne pouvions pas exciter les ondes de spin à ce moment-là, mais Ruwan et Danyel ont mis en place un système qui le pouvait », a déclaré Hulet. « Nous avons dû surmonter un obstacle technique lié à un processus appelé émission spontanée. »

Cavazos a déclaré : « L’effet que nous essayons de voir est un peu subtil. Donc, si vous le perturbez trop, il sera simplement emporté. Une analogie serait si nous essayions de prendre une photo de quelque chose, mais le le flash endommageait ce que nous essayions de photographier. Nous avons donc dû changer la couleur du flash, dans cette analogie, pour le rendre plus doux. Nous avons également modifié un peu le système pour qu’il ne soit pas aussi fragile qu’avant. combinaison nous a permis de voir réellement l’effet subtil. »

Les données expérimentales correspondaient étroitement aux prédictions d’un calcul théorique de pointe effectué par les groupes de recherche du co-auteur de l’étude Xi-Wen Guan à la fois à l’Académie chinoise des sciences et à l’Université nationale australienne et du co-auteur Han Pu à Riz.

1D compte

« Alors que les circuits intégrés deviennent plus petits, les fabricants de puces doivent commencer à se soucier de la dimensionnalité », a déclaré Hulet. « Leurs circuits finissent par devenir un système unidimensionnel qui doit conduire et transporter les électrons de la même manière que les fils unidimensionnels dont nous avons parlé. »

La recherche pourrait également contribuer au développement d’une technologie pour les ordinateurs quantiques topologiques qui encoderaient des informations dans des qubits exempts de la décohérence qui afflige les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui. Microsoft et d’autres espèrent créer des qubits topologiques avec des particules quantiques appelées fermions de Majorana qui peuvent exister dans certains supraconducteurs 1D ou 2D. L’objectif à long terme de Hulet est de simuler un type de supraconducteur 1D pouvant héberger des fermions de Majorana, et il a déclaré que le rapport de cette semaine représente un grand pas vers cet objectif.

« Nous apprenons à connaître ces systèmes au fur et à mesure », a-t-il déclaré. « Il est important que quelqu’un fasse les fondamentaux, apprenne à manipuler les choses expérimentalement, ce que les observations signifient et comment vous les comprenez. Ce travail est une étape importante. Il démontre notre capacité à faire des expériences sur un système qui simule un- supraconducteur dimensionnel. »

Les co-auteurs supplémentaires incluent Ya-Ting Chang et Aashish Kafle de Rice, Sheng Wang de l’Académie chinoise des sciences et Feng He de l’École internationale d’études avancées et de l’Institut national italien de physique nucléaire de Trieste.