Ультрахолодные атомы используются для проверки предсказания о 1-D электронах

Физики-атомщики университета Райса проверили ключевое предсказание 55-летней теории об одномерной электронике, которая становится все более актуальной благодаря неумолимому стремлению Силиконовой долины к миниатюризации.

«Чипмейкеры десятилетиями уменьшали размеры объектов на микрочипах, и физики устройств теперь изучают использование нанопроволок и нанотрубок, где каналы, через которые проходят электроны, почти одномерны», — сказал физик-экспериментатор Райс Рэнди Хьюлет. «Это важно, потому что 1D — это другая игра с точки зрения электронной проводимости. Нужна новая модель, новый способ представления реальности, чтобы понять его.»

С IBM и другими изготовителями, приверженными включению одномерных углеродных нанотрубок в интегральные схемы, конструкции чипов все чаще будут нуждаться в учете одномерных эффектов, возникающих из-за того, что электроны являются фермионами, антисоциальными частицами, которые не желают делиться пространством.

Одномерные последствия этого противостояния привлекли внимание физиков Синтиро Томонага и Дж.М. Латтинджера, чья модель поведения одномерных электронов была опубликована в 1963 году. Ключевым предсказанием теории Томонага-Латтинджера (TLL) является то, что возбуждение одного электрона в одномерном проводе приводит к коллективному, организованному отклику от каждого электрона в проводе.

Тем не менее, из-за этого коллективного поведения теория TLL предсказывает, что движущийся электрон в 1D, по-видимому, разделится надвое и будет путешествовать с разной скоростью, несмотря на то, что электроны являются фундаментальными частицами, которые не имеют составных частей. Этот странный распад, известный как разделение спин-зарядов, вместо этого включает в себя два неотъемлемых свойства электрона — отрицательный заряд и угловой момент, или «спин.»

В последнем исследовании ученые использовали фермион-ультрахолодные атомы лития охлаждают до 100 миллиардных долей градуса от абсолютного нуля, чтобы обе проверять предсказанную скорость, что зарядовые волны движутся в 1D и дают подтверждение того, что 1D зарядовые волны увеличивают свою скорость пропорционально силе взаимодействия между ними.

«В одномерном проводе электроны могут двигаться влево или вправо, но они не могут обойти другие электроны», — сказал Рэнди Хьюлет. «Если вы добавляете энергию в систему, они двигаются, но поскольку они фермионы и не могут делиться пространством, это движение или возбуждение вызывает своего рода цепную реакцию.»

«Когда один электрон движется, он подталкивает следующий, и следующий, и так далее, вызывая энергию, которые вы добавили вначале, это как волна», — говорит Хьюлет. «Такое единственное возбуждение создало пульсацию повсюду в проводе.»

В своих экспериментах команда ученых использовала атомы лития в качестве резервных элементов для электронов. Атомы задерживаются и замедляются с помощью лазеров, которые противостоят их движению. Чем медленнее они перемещаются, тем холоднее становятся атомы лития, а при температурах, гораздо более холодных, чем в природе, атомы ведут себя как электроны. Лазеры используются для формирования оптических волноводов, одномерных труб, достаточно широких для прохождения всего одного атома. Несмотря на большие усилия, необходимые для создания этих условий, Хьюлет сказал, что эксперименты дают большую пользу.

«Мы можем использовать магнитное поле в нашем эксперименте для настройки прочности отталкивающего взаимодействия между атомами лития», — говорят исследователи. «При изучении этого коллективного или коррелированного поведения электронов важным фактором является сила взаимодействия. Более сильные или слабые электронные взаимодействия могут приводить к совершенно другим эффектам, но необычно трудно изучить это с электронами из-за невозможности непосредственно контролировать взаимодействия. С ультрахолодными атомами, мы можем выводить силу взаимодействия на любой уровень, который мы хотим, и наблюдать за тем, что происходит.»

В то время как предыдущие группы измеряли скорость коллективных волн в нанопроводах и в газах ультрахолодных атомов, никто из них не измерял ее как функцию силы взаимодействия, сказал Хьюлет. «Ожидается, что возбуждения зарядов будут двигаться быстрее с увеличением силы взаимодействия, и мы показали это», — сказал он.

Наличие способности контролировать взаимодействия также создает основу для проверки следующего предсказания TLL: скорость волн заряда и спиновых волн расходится с увеличением силы взаимодействия, а это означает, что по мере того, как электроны вынуждены отталкивать друг друга с большей силой, зарядовые волны будут двигаться быстрее и спиновые волны будут двигаться медленнее.

Теперь, когда команда исследователей проверила предсказанное поведение зарядовых волн, они планируют измерить спиновые волны, чтобы увидеть, ведут ли они себя так, как прогнозировалось.

«1D-система является парадигмой для физики  сильно коррелированных электронов, которая играет ключевую роль во многих вещах, которые нам хотелось бы лучше понять, таких как высокотемпературная сверхпроводимость, тяжелые фермионные материалы и многое другое», — сказал Райс Рэнди Хьюлет.

T. L. Yang et al, Measurement of the Dynamical Structure Factor of a 1D Interacting Fermi Gas, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.103001