En los objetos cotidianos no hay izquierda sin derecha ni frente sin espalda. Igual de inseparables parecen ser la carga eléctrica del electrón y su "giro". Pero en un mundo cuántico estrictamente unidimensional, ambas propiedades cuánticas son separables entre sí. Esta predicción de 50 años ahora ha sido confirmada por un experimento realizado por un equipo del Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Múnich (MCQST).

Los físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching están desempeñando un papel destacado. Por su exitosa demostración, que ahora se publica en la revista Ciencias ("Observación por tiempo resuelto del desconfinamiento de carga de espín en cadenas fermiónicas de Hubbard"), utilizaron un llamado simulador cuántico. Una computadora cuántica tan especializada puede estimar con precisión las propiedades cuánticas de un material, lo que es increíblemente desafiante para las supercomputadoras convencionales de hoy.

"Como científico, cuando piensas en un electrón, piensas en una unidad ligada con una cierta carga eléctrica y un cierto giro, "explica Jayadev Vijayan, Doctor. estudiante en el grupo de Christian Gross e Immanuel Bloch, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching. Spin se puede imaginar como una especie de giroscopio mecánico cuántico. Pero es mucho mas, porque su espín especial convierte un electrón en un fermión con propiedades cuánticas que proporcionan también la base de la electrónica de semiconductores actual.

Por lo tanto, la carga y el espín de un electrón se consideran inseparablemente conectados. Pero hace más de 50 años, Los científicos llegaron a una sorprendente comprensión de que en un mundo estrictamente unidimensional, esta unión de confianza de carga y giro podría ser separable. Si tira de un collar de perlas abierto recto como una flecha, básicamente has creado un mundo unidimensional.

En el experimento, las perlas son átomos magnéticos. En cada uno de estos átomos hay un electrón especial cuyo giro sin protección convierte al átomo en una pequeña aguja magnética. Dado que los polos opuestos de las agujas magnéticas se atraen entre sí, Las cuentas de agujas magnéticas vecinas en la cuerda se alinean en direcciones opuestas:un polo norte apunta en una posición hacia arriba, el próximo polo norte vecino hacia abajo, luego el siguiente, pero uno hacia arriba de nuevo, por lo que es una cadena de giros alternos que apuntan hacia arriba y hacia abajo (ver figura).

Este es el punto de partida del experimento. La predicción ahora dice:si se altera una cadena de perlas cuántica unidimensional, entonces la carga y el espín de un electrón pueden separarse en una perla atómica. Luego, ambos deben correr a lo largo de la cadena como dos cuasipartículas separadas. Estas cuasipartículas se pueden imaginar como un balde de agua y un balde de arena, que se transmiten a diferentes velocidades en una cadena de extinción de incendios.

El equipo de Munich también se enfrentó a un desafío experimental. La nanotecnología actual puede producir "cadenas de perlas" atómicas unidimensionales.

"Pero los electrones están separados por una distancia del orden de una décima de nanómetro, ", explica el estudiante de doctorado. Aproximadamente una décima parte de una mil millonésima parte de un metro es típica de la distancia entre los átomos en los materiales. Esto es demasiado pequeño para observarlo con un microscopio, haciendo imposible estudiar su comportamiento.

El simulador cuántico

Aquí es donde entra en juego el simulador cuántico de Munich. En principio, funciona como reemplazar el hilo del collar de perlas con una goma elástica. Y la banda de goma se separa para que la distancia entre las perlas atómicas sea aproximadamente 10, 000 veces mayor. Este rango de micrómetros ahora se puede resolver con un microscopio óptico. Los diminutos átomos se vuelven visibles cuando la luz láser hace que se iluminen.

En el experimento, la "banda de goma" consiste en una cuadrícula de rayos de luz láser que se cruzan. Cada intersección de luz actúa como una pequeña trampa que captura un átomo, en este caso un átomo de litio. Para hacer que se comporten como electrones en materiales reales, primero deben enfriarse a temperaturas ultrabajas al vacío.

Los átomos de litio son fermiónicos, es decir., pequeños imanes transportados por un espín de electrones sin protección. Ahora, los físicos tuvieron que idear un truco para hacer visible este giro en su simulador cuántico. Para hacer esto, sueltan los grilletes de la luz por un corto tiempo en presencia de un campo magnético especialmente diseñado. El resultado:los átomos se cizallan ligeramente hacia arriba o hacia abajo de la cadena de perlas, dependiendo de la dirección de su giro.

El sueño de Feynman

Tan pronto como la cadena de átomos esté preparada, los físicos patean un átomo del medio de la cadena con luz láser. Esta perturbación llamado "apagar, "crea dos cuasipartículas en la cadena. La primera cuasipartícula es el agujero dejado por el átomo expulsado. Este" holón "contiene la propiedad cuántica de la carga del electrón. La segunda cuasipartícula, llamado spinon, Consiste en los dos giros paralelos adyacentes que deja el hueco del holón. En comparación con el fondo de giros alternos que apuntan hacia arriba y hacia abajo, este spinon lleva un exceso de centrifugado del enfriamiento.

Con su simulador cuántico, el equipo pudo seguir exactamente cómo viajan las dos perturbaciones a lo largo de la cadena atómica. De hecho, resultó que se mueven a diferentes velocidades y no se unen. La carga y el centrifugado son, por lo tanto, completamente independientes entre sí y están perfectamente separados, al igual que los cubos de agua y arena en la cadena de extinción de incendios.

Por un lado, este resultado es emocionante desde la perspectiva de la investigación básica en física cuántica. La separabilidad de la carga y el giro podría algún día encontrar aplicaciones fascinantes en la tecnología de la información cuántica. Sobre todo, sin embargo, el experimento de Garching demuestra con éxito que los simuladores cuánticos se están convirtiendo en una tecnología que debe tomarse en serio.

En la década de 1980, el famoso ganador del Premio Nobel Richard Feynman soñó que sería posible comprender el comportamiento de los sistemas cuánticos de los materiales, que son difíciles de acceder experimentalmente, mediante el uso de sistemas cuánticos análogos que eran perfectamente accesibles y controlables. Incluso las supercomputadoras convencionales no logran calcular con exactitud algunos de estos sistemas cuánticos. Pero esta elegante posibilidad la ofrecen los átomos ultrafríos en las rejillas de luz.

"En el futuro, esto podría permitir el diseño específico de nuevos materiales que, por ejemplo, se vuelven superconductores a temperatura ambiente, ", dice Jayadev Vijayan. El sueño de Feynman de un simulador cuántico se está convirtiendo en realidad.