Фізики-атомники університету Райса перевірили ключове передбачення 55-річної теорії про одномірну електроніку, яка стає все більш актуальною завдяки невблаганному прагненню Силіконової долини до мініатюризації.
«Чіпмейкери десятиліттями зменшували розміри об'єктів на мікрочіпах, і фізики пристроїв тепер вивчають використання нанопроволок і нанотрубок, де канали, через які проходять електрони, майже одномірні», - сказав фізик-експериментатор Райс Ренді Хьюлет. "Це важливо, тому що 1D - це інша гра з точки зору електронної провідності. Потрібна нова модель, новий спосіб уявлення реальності, щоб зрозуміти його.
З IBM та іншими виробниками, прихильними включенню одномірних вуглецевих нанотрубок в інтегральні схеми, конструкції чіпів все частіше будуть потребувати обліку одномірних ефектів, що виникають через те, що електрони є ферміонами, антисоціальними частинками, які не бажають ділитися простором.
Одномірні наслідки цього протистояння привернули увагу фізиків Сінтіро Томонага і Дж.М. Латтінджера, чия модель поведінки одномірних електронів була опублікована в 1963 році. Ключовим передбаченням теорії Томонага-Латтінджера (TLL) є те, що збудження одного електрону в одномірному проводі призводить до колективного, організованого відгуку від кожного електрону в дроті.
Тим не менш, через цю колективну поведінку теорія TLL пророкує, що електрон в 1D, мабуть, розділиться надвоє і буде подорожувати з різною швидкістю, незважаючи на те, що електрони є фундаментальними частинками, які не мають складових частин. Цей дивний розпад, відомий як поділ спін-зарядів, замість цього включає в себе дві невід'ємні властивості електрону - негативний заряд і кутовий момент, або «спин».
В останньому дослідженні вчені використовували ферміон-ультрахолодні атоми літію охолоджують до 100 мільярдних часток градуса від абсолютного нуля, щоб обидві перевіряти передбачену швидкість, що зарядові хвилі рухаються в 1D і дають підтвердження того, що 1D зарядові хвилі збільшують свою швидкість пропорційно силі взаємодії між ними.
«В одномірному проводі електрони можуть рухатися вліво або вправо, але вони не можуть обійти інші електрони», - сказав Ренді Х'юлет. «Якщо ви додаєте енергію в систему, вони рухаються, але оскільки вони ферміони і не можуть ділитися простором, цей рух або збудження викликає свого роду ланцюгову реакцію».
«Коли один електрон рухається, він підштовхує наступний, і наступний, і так далі, викликаючи енергію, які ви додали спочатку, це як хвиля», - говорить Х'юлет. «Таке єдине збудження створило пульсацію всюди в дроті».
У своїх експериментах команда вчених використовувала атоми літію як резервні елементи для електронів. Атоми затримуються і сповільнюються за допомогою лазерів, які протистоять їхньому руху. Чим повільніше вони переміщуються, тим холодніше стають атоми літію, а при температурах, набагато більш холодних, ніж в природі, атоми поводяться як електрони. Лазери використовуються для формування оптичних хвилеводів, одномірних труб, досить широких для проходження всього одного атома. Незважаючи на великі зусилля, необхідні для створення цих умов, Хьюлет сказав, що експерименти дають велику користь.
«Ми можемо використовувати магнітне поле в нашому експерименті для налаштування міцності відштовхуючої взаємодії між атомами літію», - кажуть дослідники. "При вивченні цієї колективної або корельованої поведінки електронів важливим фактором є сила взаємодії. Сильніші або слабші електронні взаємодії можуть призводити до зовсім інших ефектів, але незвично важко вивчити це з електронами через неможливість безпосередньо контролювати взаємодії. З ультрахолодними атомами, ми можемо виводити силу взаємодії на будь-який рівень, який ми хочемо, і спостерігати за тим, що відбувається.
Тоді як попередні групи вимірювали швидкість колективних хвиль у нанопроводах і в газах ультрахолодних атомів, ніхто з них не вимірював її як функцію сили взаємодії, сказав Х'юлет. «Очікується, що збудження зарядів рухатимуться швидше зі збільшенням сили взаємодії, і ми показали це», - сказав він.
Наявність здатності контролювати взаємодії також створює основу для перевірки наступного передбачення TLL: швидкість хвиль заряду і спинових хвиль розходиться зі збільшенням сили взаємодії, а це означає, що в міру того, як електрони змушені відштовхувати один одного з більшою силою, зарядові хвилі рухатимуться швидше і спинові хвилі рухатимуться повільніше.
Тепер, коли команда дослідників перевірила передбачену поведінку зарядових хвиль, вони планують виміряти спинові хвилі, щоб побачити, чи поводяться вони так, як прогнозувалося.
«1D-система є парадигмою для фізики сильно корельованих електронів, яка відіграє ключову роль у багатьох речах, які нам хотілося б краще зрозуміти, як-от високотемпáна надпровідність, важкі фермійні матеріали і багато іншого», - сказав Райс Ренді Х'юлет.