莱斯大学的一个量子模拟器让物理学家们清楚地看到了自旋电荷分离。

这项研究发表在《科学》杂志上，这项研究对量子计算和原子级导线的电子学具有重要意义。

电子是微小的、不能被分割的亚原子粒子。尽管如此，量子力学规定它们的两种属性——自旋和电荷——在一维导线中以不同的速度传播。

莱斯大学的物理学家Randy Hulet, Ruwan Senaratne和Danyel Cavazos建造了一个超冷的场地，在那里他们可以反复观看和拍摄这个量子奇观的原始版本，他们与莱斯大学、中国、澳大利亚和意大利的理论学家合作发表了研究结果。

量子模拟器利用真实物体(如原子、离子或分子)的量子特性来解决传统计算机难以或不可能解决的问题。莱斯的自旋电荷模拟器使用锂原子作为电子的替身，用一条光通道代替一维电子线。

宇宙中充斥着热量，掩盖了原子的量子行为。为了感知锂中的量子效应，Hulet 的团队使用激光冷却使其原子比宇宙中最冷的自然物体冷 100 万倍。其他的激光器创建了一维光通道或光波导。

理想变成现实

电子是一种反社会的量子粒子，它们拒绝彼此共享空间。自旋电荷分离就是一维空间中这种相互厌恶的表现。它是由物理学家Tomonaga Shinichiro和Joaquin Luttinger在大约60年前从理论上提出的。但是在电子材料中测量它被证明是非常困难的。

Hulet是莱斯大学的Fayez Sarofim物理学教授，也是 Rice Quantum Initiative 的成员，他说这个模拟器可以用一种以前不可能的方式来探测自旋电荷分离的物理过程。

Hulet说:“人们已经观察到固态材料中的自旋电荷分离，但他们还没有以一种非常清晰或定量的方式观察到它。”“我们的实验确实是第一次提供可以与近乎精确的理论进行比较的量化测量。”

真实的材料存在缺陷，但 Tomonaga 和 Luttinger 的理论描述了电子在完美的一维导线中的行为。新的模拟揭示了真实量子粒子在类似于理论理想的原始环境中的行为。

“冷原子给了我们调整粒子间相互作用强度的能力，从而可以与 Tomonaga-Luttinger 液体理论进行近乎教科书式的比较，”Hulet 说。

更少的维度，不同的物理场

当一个电子撞击另一个电子时，它会传递能量，使被撞击的电子激发到更高的能量状态。在 3D 材料中，受激发的电子会消失，与其他物体碰撞，损失一些能量，然后朝新的方向倾斜与其他某物发生碰撞等等。但这在一维空间中不可能发生。

“在 1D 中，每一次激发都是集体的，”Hulet 说。“如果你在1D导线中推动一个电子，它会推动它旁边的一个，然后它会推动它旁边的一个，依此类推。”

Hulet 实验室的研究科学家 Senaratne 说：“它们不能相互移动。它们被困在一条线上。如果你移动其中一个，你就必须移动所有的。这就是为什么一维导线中电子的激发必然是集合的。”

当电子在一维空间中碰撞时，激发沿导线呈波状波动。Tomonaga和Luttinger意识到自旋激发波会比电荷波移动得慢。但Hulet说，把这种分离想象成一个电子的分裂是不正确的，或者，在模拟器的情况下，想象成一个锂原子的分裂。

“这不直观，”他说。“你必须想象物质以波的形式存在。”

比较速度

2018 年，Hulet 的团队制作了一个可以激发等效电荷波的一维模拟器，他的团队测量了电荷波移动的速度。为了测试 Tomonaga-Luttinger 液体模型，他们需要将这些电荷波的速度与沿线移动的自旋波的速度进行比较。

“当时我们无法激发自旋波，但 Ruwan 和 Danyel 组建了一个可以激发自旋波的系统，”Hulet 说。“我们必须克服与自发发射过程相关的技术障碍。”

Cavazos 说：“我们想要看到的效果，有点微妙。所以如果你过度干扰它，它就会被冲走。打个比方，如果我们想给某样东西拍照，但闪光灯破坏了我们要拍的东西。所以我们不得不改变闪光灯的颜色，让它更柔和。我们还稍微改变了系统，使它不会像以前那样脆弱。这种组合让我们真正看到了微妙的影响。”

这些实验数据与来自中国科学院和澳大利亚国立大学的合著者关希文和莱斯大学的濮涵的研究小组所做的最先进的理论计算的预测非常吻合。

一维问题

“随着集成电路变得更小，芯片制造商不得不开始担心尺寸问题，”Hulet 说。“他们的电路最终成为一个一维系统，必须以与我们一直在谈论的一维导线相同的方式传导和传输电子。”

该研究还可以帮助拓扑量子计算机技术的发展，该计算机将信息编码为量子比特，不受当今量子计算机所困扰的退相干的影响。微软和其他公司希望用可能存在于某些一维或二维超导体中的称为马约拉纳费米子的量子粒子来创建拓扑量子比特。Hulet 的长期目标是模拟一种可以容纳马约拉纳费米子的一维超导体，他说这一研究成果代表了朝着该目标迈出的一大步。

“我们正在学习这些系统，”他说。“对一些人来说，了解基础知识是很重要的，学习如何通过实验来操纵事物，观察结果意味着什么，以及你如何理解它们。这项工作是重要的一步。这表明我们有能力在模拟一维超导体的系统上进行实验。”

原文链接：https://phys.org/news/2022-06-quantum-simulator-electrons-1d.html

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