I fisici atomici della Rice University hanno verificato una previsione chiave di una teoria vecchia di 55 anni sull'elettronica unidimensionale che è sempre più rilevante grazie all'inesorabile ricerca della miniaturizzazione della Silicon Valley.

"Da decenni i produttori di chip riducono le dimensioni delle caratteristiche dei microchip, e i fisici dei dispositivi stanno ora esplorando l'uso di nanofili e nanotubi in cui i canali attraverso i quali passano gli elettroni sono quasi unidimensionali, " ha detto il fisico sperimentale di Rice Randy Hulet. "Questo è importante perché 1D è un gioco diverso in termini di conduttanza elettronica. Hai bisogno di un nuovo modello, un nuovo modo di rappresentare la realtà, per dargli un senso».

Con IBM e altri impegnati a incorporare nanotubi di carbonio unidimensionali in circuiti integrati, i progetti di chip dovranno sempre più tenere conto degli effetti 1D che derivano dal fatto che gli elettroni sono fermioni, particelle antisociali che non sono disposte a condividere lo spazio.

Le implicazioni 1D di questo distacco hanno attirato l'attenzione dei fisici Sin-Itiro Tomonaga e J.M. Luttinger, il cui modello di comportamento degli elettroni 1D è stato pubblicato nel 1963. Una previsione chiave della teoria del liquido Tomonaga-Luttinger (TLL) è che l'eccitazione di un elettrone in un filo 1D porta a un collettivo, risposta organizzata da ogni elettrone nel filo.

ancora più estraneo, a causa di questo comportamento collettivo, La teoria TLL prevede che un elettrone in movimento in 1D apparentemente si dividerà in due e viaggerà a velocità diverse, nonostante il fatto che gli elettroni siano particelle fondamentali che non hanno parti costituenti. Questa strana rottura, nota come separazione spin-carica, coinvolge invece due proprietà intrinseche dell'elettrone:carica negativa e momento angolare, o "rotazione".

In uno studio online questa settimana in Lettere di revisione fisica , Hulet, Il fisico teorico dell'Università di Ginevra Thierry Giamarchi e i suoi colleghi hanno usato un altro tipo di fermione - atomi di litio ultrafreddi raffreddati a 100 miliardesimi di grado di zero assoluto - sia per verificare la velocità prevista con cui le onde di carica si muovono in 1D sia per offrire conferma che le onde di carica 1D aumentare la loro velocità in proporzione alla forza dell'interazione tra loro.

"In un filo unidimensionale, gli elettroni possono spostarsi a sinistra o a destra, ma non possono aggirare altri elettroni, " disse Hulet, Fayez Sarofim di Rice, professore di fisica. "Se aggiungi energia al sistema, si muovono, ma poiché sono fermioni e non possono condividere lo spazio, quel movimento, o eccitazione, provoca una sorta di reazione a catena.

"Un elettrone si muove, e spinge il prossimo a muoversi e quello vicino a quello e così via, facendo in modo che l'energia che hai aggiunto si sposti lungo il filo come un'onda, "Ha detto Hulet. "Quella singola eccitazione ha creato un'increspatura ovunque nel filo."

Nei loro esperimenti, Il team di Hulet ha utilizzato atomi di litio come sostituti degli elettroni. Gli atomi vengono intrappolati e rallentati da laser che si oppongono al loro movimento. Più vanno lenti, più freddi diventano gli atomi di litio, e a temperature molto più fredde di qualsiasi altra in natura, gli atomi si comportano come elettroni. Più laser vengono utilizzati per formare guide d'onda ottiche, tubi unidimensionali abbastanza larghi per un solo atomo. Nonostante lo sforzo necessario per creare queste condizioni, Hulet ha detto che gli esperimenti offrono un grande vantaggio.

"Possiamo usare un campo magnetico nel nostro esperimento per regolare la forza dell'interazione repulsiva tra gli atomi di litio, " Hulet ha detto. "Nello studio di questi collettivi, o comportamenti elettronici correlati, la forza di interazione è un fattore importante. Interazioni di elettroni più o più deboli possono produrre effetti completamente diversi, ma è straordinariamente difficile studiarlo con gli elettroni a causa dell'incapacità di controllare direttamente le interazioni. Con atomi ultrafreddi, possiamo essenzialmente regolare la forza dell'interazione a qualsiasi livello desideriamo e guardare cosa succede."

Mentre i gruppi precedenti hanno misurato la velocità delle onde collettive nei nanofili e nei gas degli atomi ultrafreddi, nessuno lo aveva misurato in funzione della forza di interazione, disse Hulet.

"Si prevede che le eccitazioni di carica si muovano più velocemente con l'aumentare della forza di interazione, e lo abbiamo dimostrato, " disse. "Thierry Giamarchi, che ha letteralmente scritto il libro su questo argomento, utilizzato la teoria TLL per prevedere come si sarebbe comportata l'onda di carica nei nostri atomi ultrafreddi, e le sue previsioni sono state confermate nei nostri esperimenti."

Avere questa capacità di controllare le interazioni pone anche le basi per testare la prossima previsione TLL:la velocità delle onde di carica e delle onde di spin diverge con l'aumentare della forza di interazione, il che significa che poiché gli elettroni sono fatti per respingersi l'un l'altro con maggiore forza, le onde di carica viaggeranno più velocemente e le onde di spin viaggeranno più lentamente.

Ora che il team ha verificato il comportamento previsto delle onde di carica, Hulet ha detto che la prossima volta prevede di misurare le onde di spin per vedere se si comportano come previsto.

"Il sistema 1D è un paradigma per la fisica degli elettroni fortemente correlata, che gioca un ruolo chiave in molte cose che vorremmo capire meglio, come la superconduttività ad alta temperatura, materiali fermionici pesanti e altro ancora, " disse Hulet.