超冷原子用于验证1963年对一维电子的预测

2019-06-16 15:53:31

赖斯大学的原子物理学家已经验证了一项关于一维电子学的55年理论的关键预测,这一理论由于硅谷对小型化的无情追求而日益相关。

“数十年来,芯片制造商一直在缩小微芯片上的特征尺寸,设备物理学家正在探索使用纳米线和纳米管,其中电子通过的通道几乎是一维的,”赖斯实验物理学家 Randy Hulet说。“这很重要,因为就电子传导而言,1D是一个不同的球赛。你需要一种新的模式,一种表达现实的新方式,才能理解它。“

随着 IBM 和 其他公司 致力于将一维碳纳米管结合到集成电路中,芯片设计将越来越需要考虑由电子为费米子,不愿共享空间的反社会粒子 引起的一维效应 。

这种冷漠的一维影响引起了物理学家 Sin-Itiro Tomonaga 和 JM Luttinger的注意,他的一维电子行为模型于1963年发表.Tomonaga-Luttinger液体 (TLL)理论的一个关键预测 是在一维激发一个电子导线导致导线中每个电子的集体有组织的响应。

奇怪的是,由于这种集体行为,TLL理论预测1D中的移动电子看起来会分裂为两个并以不同的速度行进,尽管电子是没有组成部分的基本粒子。这种奇怪的分裂,称为 自旋电荷分离,相反涉及电子的两个固有属性 - 负电荷和角动量,或“旋转”。

在物理评论快报的网上进行的一项 研究中,日内瓦大学的Hulet理论物理学家 蒂埃里·吉亚玛奇 和他们的同事使用另一种类型的费米子 - 超冷锂原子冷却到绝对零度的100亿分之一 - 来验证预测的充电速度波在1D中移动并确认1D​​电荷波与它们之间的相互作用强度成比例地增加其速度。

“在一维导线中,电子可以向左或向右移动,但它们不能绕过其他电子,”莱斯,物理学教授Fayez Sarofim说。“如果你给系统增加能量,它们会移动,但由于它们是费米子并且不能共享空间,这种运动或激发会引起一种连锁反应。

“一个电子移动,它会推动下一个移动,另一个移动到那个旁边,依此类推,导致你所添加的能量像波浪一样向下移动,”Hulet说。“这种单一的激发在电线中到处都产生了波纹。”

在他们的实验中,Hulet的团队使用锂原子 作为电子的替身。原子被激光阻挡并 减速,与激光 相反。它们越慢,锂原子变得越冷,并且在比自然界更冷的温度下,原子表现得像电子。更多的激光用于形成光波导,一维管足够宽,仅用于一个原子。尽管需要努力创造这些条件,但Hulet说这些实验提供了很大的优势。

“我们可以在实验中使用磁场来调节锂原子之间排斥相互作用的强度,”Hulet说。“在研究这些集体或相关电子行为时,相互作用强度是一个重要因素。更强或更弱的电子相互作用可以产生完全不同的效果,但由于无法直接控制相互作用,用电子研究它非常困难。使用超冷原子,我们基本上可以将交互强度拨到我们想要的任何级别,并观察会发生什么。“

Hulet说,虽然之前的研究小组已经测量了纳米线和超冷原子气体中集体波的速度,但没有人测量它是相互作用强度的函数。

“预计充电激励会随着交互强度的增加而加快,我们会发现,”他说。“蒂埃里·吉亚玛奇(Thierry Giamarchi) 在这个主题上写了这本书,用TLL理论来预测电荷波 在我们的超冷原子中的表现,他的预测在我们的实验中得到了证实。”

具有控制相互作用的能力也为测试下一个TLL预测奠定了基础:电荷波和自旋波的速度随着相互作用强度的增加而发散,这意味着当电子以更大的力量相互排斥时,电荷波将更快地传播旋转波会慢一些。

现在团队已经验证了电荷波的预测行为,Hulet表示他们接下来计划测量自旋波,看看它们是否像预测的那样。

“一维系统是强相关电子物理学的典范,它在我们想要更好理解的许多事情中起着关键作用,如高温超导, 重费米子 材料等等,”Hulet说。

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