Квантовый симулятор показывает как части электронов движутся с разной скоростью в 1D
Электроны — это крошечные субатомные частицы, которые невозможно разделить. Несмотря на это, квантовая механика требует, чтобы два их атрибута — вращение и заряд — перемещались с разными скоростями по одномерным проводам. Физики из Райса Рэнди Хьюлет, Руван Сенаратне и Даниэль Кавазос построили ультрахолодную площадку, где они могли многократно просматривать и фотографировать первоначальную версию этого квантового зрелища, и они сотрудничали с теоретиками из Райса, Китая, Австралии и Италии над опубликованными результатами.
Чтобы сравнить скорость заряда и спиновых волн, физик из Университета Райса Даниэль Кавазос и его коллеги построили квантовый симулятор, в котором вместо электронов используются сверххолодные атомы лития, а вместо одномерного электронного провода — световой канал. Предоставлено: Джефф Фитлоу/Университет Райса.
Квантовый симулятор в Университете Райса дает физикам четкое представление о разделении спинов и зарядов, квантовой версии магической иллюзии распиливания человека пополам.
Опубликованное на этой неделе в журнале Science исследование имеет значение для квантовых вычислений и электроники с проводами атомного масштаба.
Электроны — это крошечные субатомные частицы, которые невозможно разделить. Несмотря на это, квантовая механика требует, чтобы два их атрибута — вращение и заряд — перемещались с разными скоростями по одномерным проводам.
Физики из Райса Рэнди Хьюлет, Руван Сенаратне и Даниэль Кавазос построили ультрахолодную площадку, где они могли многократно просматривать и фотографировать первоначальную версию этого квантового зрелища, и они сотрудничали с теоретиками из Райса, Китая, Австралии и Италии над опубликованными результатами.
Квантовые симуляторы используют квантовые свойства реальных объектов, таких как атомы, ионы или молекулы, для решения проблем, которые трудно или невозможно решить с помощью обычных компьютеров. Симулятор спинового заряда Райса использует атомы лития в качестве заменителей электронов и световой канал вместо одномерного электронного провода.
Вселенная купается в тепле, которое скрывает квантовое поведение атомов. Чтобы обнаружить квантовые эффекты в литии, команда Хьюле использовала лазерное охлаждение, чтобы сделать его атомы в 1 миллион раз холоднее, чем самый холодный природный объект во Вселенной. Дополнительные лазеры создали одномерный световой канал или оптический волновод.
Физик из Университета Райса Руван Сенаратне и его коллеги использовали лазерное охлаждение для создания квантового симулятора, где они могли многократно наблюдать и фотографировать квантовый эффект, называемый разделением спинов и зарядов. Предоставлено: Джефф Фитлоу/Университет Райса.
Идеал стал реальностью
Электроны — это антисоциальные квантовые частицы, которые отказываются делить пространство друг с другом. Разделение спинов и зарядов является проявлением взаимного отвращения в 1D. Теоретически он был сформулирован физиками Шиничиро Томонага и Хоакином Латтингером около 60 лет назад. Но измерить его в электронных материалах оказалось чрезвычайно сложно.
Хьюлет, профессор физики имени Файеза Сарофима и член Rice Quantum Initiative, сказал, что симулятор может исследовать физику разделения спина и заряда способом, который ранее был невозможен.
«Люди наблюдали разделение спина и заряда в твердотельных материалах, но они не видели его в четкой или количественной форме», — сказал Хьюлет. «Наш эксперимент действительно первый, в котором получены количественные измерения, которые можно сравнить с почти точной теорией».
Реальные материалы имеют дефекты, но теория Томонаги и Латтингера описывает поведение электронов в безупречном одномерном проводе. Новая симуляция раскрывает поведение реальных квантовых частиц в нетронутых условиях, близких к теоретическому идеалу.
«Холодные атомы дают нам возможность настраивать силу взаимодействия между частицами, что позволяет провести почти хрестоматийное сравнение с теорией жидкости Томонага-Латтинджера», — сказал Хьюлет.
Меньше измерений, другая физика
Когда один электрон сталкивается с другим, он передает энергию, которая может перевести столкнувшийся электрон в более высокое энергетическое состояние. В трехмерном материале возбужденный электрон уносится прочь, сталкивается с чем-то, теряет немного энергии, летит в новом направлении, чтобы столкнуться с чем-то еще и так далее. Но этого не может быть в 1D.
«В 1D каждое возбуждение является коллективным», — сказал Хьюлет. «Если вы толкаете электрон в одномерном проводе, он толкает соседний с ним, а тот толкает соседний и так далее».
Сенаратне, научный сотрудник лаборатории Юле, сказал: «Они не могут двигаться вокруг друг друга. Они застряли в линии. 1D провода обязательно собирательные."
Когда электроны сталкиваются в 1D, возбуждения распространяются по проводу волнами. Томонага и Латтинджер поняли, что волны спинового возбуждения будут двигаться медленнее, чем волны заряда. Но Юле сказал, что неправильно представлять это разделение как расщепление электрона или, в случае симулятора, расщепление атома лития.
«Это не интуитивно», — сказал он. «Вы должны представить, что материя существует в виде волн».
Физики Райса (слева направо) Руван Сенаратне, Рэнди Хьюлет, Аашиш Кафле и Даниэль Кавазос построили квантовый симулятор для измерения разделения спина и заряда — эффекта, при котором спин и заряд, свойства неделимых частиц, называемых электронами, движутся по одномерным проводам с разной скоростью. Предоставлено: Джефф Фитлоу/Университет Райса.
Сравнение скоростей
В 2018 году группа Хьюлета создала 1D-симулятор, который мог возбудить эквивалент зарядовых волн, и его команда измерила, насколько быстро двигаются волны. Чтобы проверить модель жидкости Томонаги-Латтинджера, им нужно было сравнить скорость этих зарядовых волн со скоростью спиновых волн, движущихся по линии.
«В то время мы не могли возбудить спиновые волны, но Руван и Даниэль создали систему, которая могла», — сказал Хьюлет. «Нам пришлось преодолеть техническое препятствие, связанное с процессом, называемым спонтанным излучением».
Кавазос сказал: «Эффект, который мы пытаемся увидеть, немного незаметен. Так что, если вы слишком сильно потревожите его, он просто смоется. Можно провести аналогию, если бы мы пытались что-то сфотографировать, но вспышка повреждала то, что мы пытались сфотографировать. Поэтому нам пришлось изменить цвет вспышки, в этой аналогии, чтобы сделать ее более нежной. Мы также немного изменили систему, чтобы она не была такой хрупкой, как раньше комбинация позволила нам на самом деле увидеть тонкий эффект».
Экспериментальные данные точно совпали с предсказаниями современных теоретических расчетов, сделанных исследовательскими группами соавтора исследования Си-Вэнь Гуаня из Китайской академии наук и Австралийского национального университета, а также соавтора Хань Пу из Рис.
1D имеет значение
«По мере того, как интегральные схемы становятся меньше, производители микросхем должны начать беспокоиться о размерности», — сказал Хьюлет. «Их схемы в конечном итоге становятся одномерной системой, которая должна проводить и транспортировать электроны так же, как и одномерные провода, о которых мы говорили».
Исследование также может помочь в разработке технологии для топологических квантовых компьютеров, которые будут кодировать информацию в кубитах, свободных от декогеренции, от которой страдают современные квантовые компьютеры. Microsoft и другие надеются создать топологические кубиты с квантовыми частицами, называемыми майорановскими фермионами, которые могут существовать в некоторых одномерных или двумерных сверхпроводниках. Долгосрочная цель Хьюле состоит в том, чтобы смоделировать одномерный сверхпроводник, который может содержать майорановские фермионы, и, по его словам, отчет на этой неделе представляет собой большой шаг к этой цели.
«Мы изучаем эти системы по ходу дела, — сказал он. «Для кого-то важно изучить основы, узнать, как манипулировать вещами экспериментально, что означают наблюдения и как их понимать. Эта работа — важный шаг. Она демонстрирует нашу способность проводить эксперименты с системой, которая имитирует одно- объемный сверхпроводник».
Среди дополнительных соавторов Я-Тинг Чанг и Аашиш Кафле из Райса, Шэн Ван из Китайской академии наук и Фэн Хэ из Международной школы перспективных исследований и Итальянского национального института ядерной физики в Триесте.
