Un simulatore quantistico della Rice University sta offrendo ai fisici uno sguardo chiaro sulla separazione della carica di spin, la versione del mondo quantistico dell'illusione del mago di segare una persona a metà.

Pubblicato questa settimana in Scienza , la ricerca ha implicazioni per l'informatica quantistica e l'elettronica con cavi a scala atomica.

Gli elettroni sono minuscole particelle subatomiche che non possono essere divise. Nonostante ciò, la meccanica quantistica impone che due dei loro attributi, rotazione e carica, viaggino a velocità diverse in cavi unidimensionali.

I fisici della Rice Randy Hulet, Ruwan Senaratne e Danyel Cavazos hanno costruito un luogo ultrafreddo dove potevano visualizzare e fotografare ripetutamente una versione incontaminata di questo spettacolo quantistico e hanno collaborato con i teorici della Rice, della Cina, dell'Australia e dell'Italia sui risultati pubblicati.

I simulatori quantistici sfruttano le proprietà quantistiche di oggetti reali come atomi, ioni o molecole per risolvere problemi difficili o impossibili da risolvere con i computer convenzionali. Il simulatore di carica di spin di Rice utilizza atomi di litio come sostituti degli elettroni e un canale di luce al posto di un filo elettronico 1D.

L'universo è inondato di calore che oscura il comportamento quantistico degli atomi. Per percepire gli effetti quantistici nel litio, il team di Hulet ha utilizzato il raffreddamento laser per rendere i suoi atomi 1 milione di volte più freddi dell'oggetto naturale più freddo dell'universo. Laser aggiuntivi hanno creato il canale luminoso 1D, o guida d'onda ottica.

L'ideale reso reale

Gli elettroni sono particelle quantistiche antisociali che rifiutano di condividere lo spazio l'una con l'altra. La separazione della carica di spin è una manifestazione di quel reciproco disgusto in 1D. È stato teoricamente formulato dai fisici Shinichiro Tomonaga e Joaquin Luttinger circa 60 anni fa. Ma misurarlo su materiali elettronici si è rivelato straordinariamente difficile.

Hulet, Fayez Sarofim Professor of Physics della Rice e membro della Rice Quantum Initiative, ha affermato che il simulatore può sondare la fisica della separazione della carica di spin in un modo che prima non era possibile.

"Le persone hanno osservato la separazione della carica di spin nei materiali allo stato solido, ma non l'hanno vista in modo molto pulito o quantitativo", ha detto Hulet. "Il nostro esperimento è davvero il primo a fornire misurazioni quantificabili che possono essere confrontate con una teoria quasi esatta."

I materiali reali hanno imperfezioni, ma la teoria di Tomonaga e Luttinger descrive il comportamento degli elettroni in un filo 1D impeccabile. La nuova simulazione rivela il comportamento delle particelle quantistiche reali in un ambiente incontaminato simile all'ideale teorico.

"Gli atomi freddi ci danno la capacità di regolare la forza dell'interazione tra le particelle, consentendo un confronto quasi da manuale con la teoria del liquido Tomonaga-Luttinger", ha detto Hulet.

Meno dimensioni, fisica diversa

Quando un elettrone colpisce un altro, impartisce energia che può eccitare l'elettrone colpito a uno stato energetico superiore. In un materiale 3D, l'elettrone eccitato si allontana, si scontra con qualcosa, perde un po' di energia, va in una nuova direzione per scontrarsi con qualcos'altro e così via. Ma questo non può accadere in 1D.

"In 1D, ogni eccitazione è collettiva", ha detto Hulet. "Se spingi un elettrone in un filo 1D, questo spinge su quello accanto e spinge su quello accanto e così via."

Senaratne, un ricercatore nel laboratorio di Hulet, ha detto:"Non possono muoversi l'uno intorno all'altro. Sono intrappolati in una linea. Se ne muovi uno, devi spostarli tutti. Ecco perché le eccitazioni di elettroni in un I cavi 1D sono necessariamente collettivi."

Quando gli elettroni si scontrano in 1D, le eccitazioni si propagano lungo il filo in onde. Tomonaga e Luttinger si resero conto che le onde di eccitazione di rotazione si sarebbero mosse più lentamente delle onde di carica. Ma Hulet ha detto che non è corretto immaginare questa separazione come la scissione di un elettrone o, nel caso del simulatore, la scissione di un atomo di litio.

"Non è intuitivo", ha detto. "Devi immaginare la materia esistente come onde."

Confronto delle velocità

Nel 2018, il gruppo di Hulet ha realizzato un simulatore 1D in grado di eccitare l'equivalente delle onde di carica e il suo team ha misurato la velocità con cui le onde si sono mosse. Per testare il modello Tomonaga-Luttinger Liquid, avevano bisogno di confrontare la velocità di quelle onde di carica con la velocità delle onde di rotazione che si muovono lungo la linea.

"Non potevamo eccitare le onde di rotazione in quel momento, ma Ruwan e Danyel hanno messo insieme un sistema che potrebbe", ha detto Hulet. "Abbiamo dovuto superare un ostacolo tecnico relativo a un processo chiamato emissione spontanea."

Cavazos ha detto:"L'effetto che stiamo cercando di vedere è un po' sottile. Quindi, se lo disturbi troppo, verrà semplicemente spazzato via. Un'analogia sarebbe se stessimo cercando di scattare una foto di qualcosa, ma il il flash stava danneggiando ciò che stavamo cercando di fotografare. Quindi abbiamo dovuto cambiare il colore del flash, in questa analogia, per renderlo più delicato. Abbiamo anche cambiato un po' il sistema in modo che non fosse fragile come prima. Quello la combinazione ci ha permesso di vedere effettivamente l'effetto sottile."

I dati sperimentali corrispondevano strettamente alle previsioni di un calcolo teorico all'avanguardia effettuato dai gruppi di ricerca del coautore dello studio Xi-Wen Guan sia presso l'Accademia cinese delle scienze che presso l'Università nazionale australiana e del coautore Han Pu presso Riso.

1D conta

"Man mano che i circuiti integrati diventano più piccoli, i produttori di chip devono iniziare a preoccuparsi della dimensionalità", ha affermato Hulet. "I loro circuiti alla fine diventano un sistema unidimensionale che deve condurre e trasportare elettroni allo stesso modo dei fili unidimensionali di cui abbiamo parlato."

La ricerca potrebbe anche aiutare lo sviluppo della tecnologia per computer quantistici topologici che codificherebbero le informazioni in qubit che sono esenti dalla decoerenza che affligge i computer quantistici di oggi. Microsoft e altri sperano di creare qubit topologici con particelle quantistiche chiamate fermioni di Majorana che potrebbero esistere in alcuni superconduttori 1D o 2D. L'obiettivo a lungo termine di Hulet è quello di simulare un tipo di superconduttore 1D in grado di ospitare i fermioni di Majorana e ha affermato che il rapporto di questa settimana rappresenta un grande passo avanti verso tale obiettivo.

"Stiamo imparando a conoscere questi sistemi mentre procediamo", ha detto. "È importante che qualcuno esegua le basi, impari come manipolare le cose sperimentalmente, cosa significano le osservazioni e come le comprendi. Questo lavoro è un passo significativo. Dimostra la nostra capacità di fare esperimenti su un sistema che simula un... superconduttore dimensionale."

Altri coautori includono Ya-Ting Chang e Aashish Kafle di Rice, Sheng Wang dell'Accademia delle scienze cinese e Feng He sia della Scuola Internazionale di Studi Avanzati che dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Trieste. + Esplora ulteriormente

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