Los físicos atómicos de la Universidad de Rice han verificado una predicción clave de una teoría de 55 años sobre la electrónica unidimensional que es cada vez más relevante gracias a la inexorable búsqueda de miniaturización de Silicon Valley.

"Los fabricantes de chips han reducido el tamaño de las funciones de los microchips durante décadas, y los físicos de dispositivos ahora están explorando el uso de nanocables y nanotubos donde los canales por los que pasan los electrones son casi unidimensionales, ", dijo el físico experimental de Rice, Randy Hulet." Eso es importante porque 1D es un juego de pelota diferente en términos de conductancia de electrones. Necesitas un nuevo modelo una nueva forma de representar la realidad, para darle sentido ".

Con IBM y otros comprometidos con la incorporación de nanotubos de carbono unidimensionales en circuitos integrados, Los diseños de chips necesitarán cada vez más tener en cuenta los efectos 1D que surgen de que los electrones sean fermiones, partículas antisociales que no están dispuestas a compartir espacio.

Las implicaciones 1D de este distanciamiento llamaron la atención de los físicos Sin-Itiro Tomonaga y J.M. Luttinger, cuyo modelo de comportamiento de electrones 1D se publicó en 1963. Una predicción clave de la teoría líquida de Tomonaga-Luttinger (TLL) es que excitar un electrón en un cable 1D conduce a un colectivo, respuesta organizada de cada electrón en el cable.

Más extraño aún debido a este comportamiento colectivo, La teoría TLL predice que un electrón en movimiento en 1D aparentemente se dividirá en dos y viajará a diferentes velocidades, a pesar de que los electrones son partículas fundamentales que no tienen partes constituyentes. Esta extraña ruptura conocida como separación de espín-carga, en cambio, implica dos propiedades inherentes del electrón:carga negativa y momento angular, o "girar".

En un estudio en línea esta semana en Cartas de revisión física , Hulet, El físico teórico de la Universidad de Ginebra, Thierry Giamarchi, y sus colegas utilizaron otro tipo de fermión (átomos de litio ultrafríos enfriados a 100 mil millonésimas de grado de cero absoluto) para verificar la velocidad predicha a la que las ondas de carga se mueven en 1D y ofrecer la confirmación de que las ondas de carga 1D aumentar su velocidad en proporción a la fuerza de la interacción entre ellos.

"En un cable unidimensional, los electrones pueden moverse hacia la izquierda o hacia la derecha, pero no pueden rodear a otros electrones, "dijo Hulet, Profesor de Física Fayez Sarofim de Rice. "Si agrega energía al sistema, ellos mueven, pero como son fermiones y no pueden compartir espacio, ese movimiento, o excitación, provoca una especie de reacción en cadena.

"Un electrón se mueve, y le da un codazo al siguiente para que se mueva y al siguiente y así sucesivamente, haciendo que la energía que ha agregado se mueva por el cable como una onda, "Dijo Hulet." Esa única excitación ha creado una onda en todas partes en el cable ".

En sus experimentos, El equipo de Hulet utilizó átomos de litio como sustitutos de los electrones. Los átomos quedan atrapados y ralentizados con láseres que se oponen a su movimiento. Cuanto más lento van, cuanto más fríos se vuelven los átomos de litio, y a temperaturas mucho más frías que las de la naturaleza, los átomos se comportan como electrones. Se utilizan más láseres para formar guías de ondas ópticas, tubos unidimensionales lo suficientemente anchos para un solo átomo. A pesar del esfuerzo necesario para crear estas condiciones, Hulet dijo que los experimentos ofrecen una gran ventaja.

"Podemos utilizar un campo magnético en nuestro experimento para ajustar la fuerza de la interacción repulsiva entre los átomos de litio, "Dijo Hulet." Al estudiar estos colectivos, o comportamientos de electrones correlacionados, la fuerza de la interacción es un factor importante. Las interacciones de electrones más fuertes o más débiles pueden producir efectos completamente diferentes, pero es extraordinariamente difícil estudiar esto con electrones debido a la incapacidad de controlar directamente las interacciones. Con átomos ultrafríos, básicamente, podemos ajustar la intensidad de la interacción a cualquier nivel que queramos y observar lo que sucede ".

Si bien los grupos anteriores han medido la velocidad de las ondas colectivas en nanocables y en gases de átomos ultrafríos, ninguno lo había medido en función de la fuerza de interacción, Dijo Hulet.

"Se prevé que las excitaciones de carga se muevan más rápido al aumentar la fuerza de interacción, y mostramos eso, ", dijo." Thierry Giamarchi, quien literalmente escribió el libro sobre este tema, usó la teoría TLL para predecir cómo se comportaría la onda de carga en nuestros átomos ultrafríos, y sus predicciones se confirmaron en nuestros experimentos ".

Tener esa capacidad para controlar las interacciones también prepara el escenario para probar la próxima predicción de TLL:la velocidad de las ondas de carga y las ondas de giro divergen al aumentar la fuerza de la interacción, lo que significa que a medida que los electrones se repelen entre sí con mayor fuerza, las ondas de carga viajarán más rápido y las ondas giratorias viajarán más lentamente.

Ahora que el equipo ha verificado el comportamiento previsto de las ondas de carga, Hulet dijo que a continuación planean medir las ondas de giro para ver si se comportan como se predijo.

"El sistema 1D es un paradigma para la física de electrones fuertemente correlacionada, que juega un papel clave en muchas cosas que nos gustaría comprender mejor, como la superconductividad de alta temperatura, materiales de fermiones pesados ​​y más, "Dijo Hulet.