Дослідники використовували квантовий симулятор для вивчення поведінки електронів в одновимірному просторі. Фізики виміряли спінові і зарядові хвилі, продемонструвавши, що вони рухаються з різною швидкістю.
Фізики з Університету Райса використовували ультрахолодні атоми і одновимірний світловий канал для моделювання електронів в одновимірних проводах і вивчення того, як дві їх внутрішні властивості — обертання (спін) і заряд — поширюються з різною швидкістю. Результати експериментів, опубліковані в Science, дозволили вперше отримати кількісні вимірювання, співвідносні з передбаченими теоретично.
Електрони – це ферміони, антисоціальні квантові частинки, які відмовляються розділяти простір один з одним, пояснюють автори дослідження. Відповідно до принципу виключення Паулі, два або більше однакових ферміони не можуть одночасно перебувати в одному квантовому стані у квантовій системі.
Поділ спінів і зарядів є проявом такого взаємного відрази в одновимірному просторі. Фізики Шінічіро Томонага і Хоакін Латтінжер сформували теоретичну модель поведінки електронів в 1D, відому під назвою рідина Латтінжера, близько 60 років тому, проте дотепер виміряти ефект кількісно практично не вдавалося.
Модель експерименту зі створенням спінової хвилі (аналогічно для зарядової хвилі). Лазерний промінь (зверху ліворуч) створює в дроті колективні хвилі, які переносять або спин, або заряд. Спін повинен вказувати вгору (синій) або вниз (червоний), а атоми з протилежним спіном природним чином розташовуються в черговому порядку (верхній ряд). Хвиля переносить спін, послідовно змінюючи сусідні значення. Ілюстрація: Ella Maru Studio, R. Hulet, Rice University
Квантові симулятори використовують квантові властивості реальних об’єктів, таких як атоми, іони або молекули, для вирішення проблем, які важко або неможливо вирішити за допомогою звичайних комп’ютерів. У симуляторі спінового заряду Університету Райса ультрахолодні атоми літію замінюють електрони, а світловий канал — одновимірний провід.
Коли один електрон стикається з іншим, він передає енергію, яка переводить останній в більш високий енергетичний стан. У тривимірному матеріалі збуджений електрон несеться геть, стикається з чимось, втрачає трохи енергії, летить в новому напрямку, щоб зіткнутися з чимось ще і так далі, пояснюють вчені.
В одновимірному просторі дроти рух буде колективним: коли ви «тиснете» на один електрон, він передає тиск наступного і так далі. Томонага і Латтінжер передбачали, що хвилі спінового збудження будуть рухатися повільніше, ніж хвилі заряду. Експериментальні дані підтвердили цю теорію, при цьому швидкості поширення хвиль точно співпали з прогнозами сучасних розрахунків для рідини Латтінжера.
“Дослідники спостерігали розподіл спіну та заряду у твердотільних матеріалах, але вони не бачили його в чіткій або кількісній формі. Наш експеримент дійсно перший, в якому отримані кількісні вимірювання, які можна порівняти з майже точною теорією”, – говорить Ренді Хьюлет, фізик з Університету Райса і один з авторів дослідження
Автори роботи відзначають, що результати мають не тільки теоретичне, а й практичне значення. Постійне зменшення обсягу мікросхем призводить до створення проводів, близьких до одновимірного простору, а значить квантові ефекти почнуть впливати на роботу таких пристроїв. Крім того, дослідження допоможе в розробці технології топологічних квантових комп’ютерів, які будуть кодувати інформацію в кубітах, вільних від декогеренції.