Un simulador cuántico en la Universidad de Rice está dando a los físicos una visión clara de la separación de carga de espín, la versión del mundo cuántico de la ilusión del mago de cortar a una persona por la mitad.

Publicado esta semana en Science , la investigación tiene implicaciones para la computación cuántica y la electrónica con cables a escala atómica.

Los electrones son partículas subatómicas minúsculas que no se pueden dividir. A pesar de esto, la mecánica cuántica dicta que dos de sus atributos, giro y carga, viajan a diferentes velocidades en cables unidimensionales.

Los físicos de Rice Randy Hulet, Ruwan Senaratne y Danyel Cavazos construyeron un lugar ultrafrío donde podían ver y fotografiar repetidamente una versión prístina de este espectáculo cuántico, y colaboraron con teóricos de Rice, China, Australia e Italia en los resultados publicados.

Los simuladores cuánticos aprovechan las propiedades cuánticas de objetos reales como átomos, iones o moléculas para resolver problemas que son difíciles o imposibles de resolver con computadoras convencionales. El simulador de carga de espín de Rice utiliza átomos de litio como sustitutos de los electrones y un canal de luz en lugar de un cable electrónico 1D.

El universo está inundado de calor que oscurece el comportamiento cuántico de los átomos. Para percibir los efectos cuánticos en el litio, el equipo de Hulet usó enfriamiento por láser para hacer que sus átomos fueran 1 millón de veces más fríos que el objeto natural más frío del universo. Láseres adicionales crearon el canal de luz 1D o guía de ondas ópticas.

Ideal hecho realidad

Los electrones son partículas cuánticas antisociales que se niegan a compartir espacio entre sí. La separación de carga de espín es una manifestación de ese odio mutuo en 1D. Fue formulado teóricamente por los físicos Shinichiro Tomonaga y Joaquin Luttinger hace unos 60 años. Pero medirlo en materiales electrónicos ha resultado extraordinariamente difícil.

Hulet, profesor de física Fayez Sarofim de Rice y miembro de Rice Quantum Initiative, dijo que el simulador puede probar la física de la separación de carga de espín de una manera que antes no había sido posible.

"La gente ha observado la separación de carga de espín en materiales de estado sólido, pero no la han visto de una manera muy limpia o cuantitativa", dijo Hulet. "Nuestro experimento es realmente el primero en ofrecer mediciones cuantificables que se pueden comparar con una teoría casi exacta".

Los materiales reales tienen imperfecciones, pero la teoría de Tomonaga y Luttinger describe el comportamiento de los electrones en un cable 1D impecable. La nueva simulación revela el comportamiento de las partículas cuánticas reales en un entorno prístino similar al ideal teórico.

"Los átomos fríos nos dan la capacidad de ajustar la fuerza de la interacción entre partículas, lo que permite una comparación casi de libro de texto con la teoría líquida de Tomonaga-Luttinger", dijo Hulet.

Menos dimensiones, diferente física

Cuando un electrón golpea a otro, imparte energía que puede excitar al electrón golpeado a un estado de mayor energía. En un material 3D, el electrón excitado se aleja, choca con algo, pierde un poco de energía, rebota en una nueva dirección para chocar con algo más y así sucesivamente. Pero eso no puede suceder en 1D.

"En 1D, cada excitación es colectiva", dijo Hulet. "Si empujas un electrón en un cable 1D, empuja al que está al lado, y empuja al que está al lado, y así sucesivamente".

Senaratne, un científico investigador en el laboratorio de Hulet, dijo:"No se pueden mover unos alrededor de otros. Están atrapados en una línea. Si mueves a uno de ellos, tienes que moverlos a todos. Es por eso que las excitaciones de los electrones en un Los cables 1D son necesariamente colectivos".

Cuando los electrones chocan en 1D, las excitaciones recorren el cable en forma de ondas. Tomonaga y Luttinger se dieron cuenta de que las ondas de excitación de espín se moverían más lentamente que las ondas de carga. Pero Hulet dijo que es incorrecto imaginar esta separación como la división de un electrón o, en el caso del simulador, la división de un átomo de litio.

"No es intuitivo", dijo. "Tienes que imaginar la existencia de la materia como ondas".

Comparando velocidades

En 2018, el grupo de Hulet creó un simulador 1D que podía excitar el equivalente a las ondas de carga, y su equipo midió la rapidez con que se movían las ondas. Para probar el modelo líquido de Tomonaga-Luttinger, necesitaban comparar la velocidad de esas ondas de carga con la velocidad de las ondas de espín que se desplazaban por la línea.

"No podíamos excitar las ondas de espín en ese momento, pero Ruwan y Danyel crearon un sistema que podía", dijo Hulet. "Tuvimos que superar un obstáculo técnico relacionado con un proceso llamado emisión espontánea".

Cavazos dijo:"El efecto que estamos tratando de ver, es un poco sutil. Entonces, si lo perturbas demasiado, simplemente desaparecerá. Una analogía sería si estuviéramos tratando de tomar una foto de algo, pero el El flash estaba dañando lo que estábamos tratando de fotografiar. Así que tuvimos que cambiar el color del flash, en esta analogía, para hacerlo más suave. También cambiamos un poco el sistema para que no fuera tan frágil como antes. Eso La combinación nos permitió ver el efecto sutil".

Los datos experimentales coincidieron estrechamente con las predicciones de un cálculo teórico de última generación realizado por los grupos de investigación del coautor del estudio, Xi-Wen Guan, tanto en la Academia de Ciencias de China como en la Universidad Nacional de Australia, y del coautor Han Pu en Arroz.

Importa 1D

"A medida que los circuitos integrados se vuelven más pequeños, los fabricantes de chips deben comenzar a preocuparse por la dimensionalidad", dijo Hulet. "Sus circuitos eventualmente se convierten en un sistema unidimensional que tiene que conducir y transportar electrones de la misma manera que los cables unidimensionales de los que hemos estado hablando".

La investigación también podría ayudar al desarrollo de tecnología para computadoras cuánticas topológicas que codificarían información en qubits libres de la decoherencia que afecta a las computadoras cuánticas actuales. Microsoft y otros esperan crear qubits topológicos con partículas cuánticas llamadas fermiones de Majorana que pueden existir en algunos superconductores 1D o 2D. El objetivo a largo plazo de Hulet es simular un tipo de superconductor 1D que pueda albergar fermiones de Majorana, y dijo que el informe de esta semana representa un gran paso hacia ese objetivo.

"Estamos aprendiendo sobre estos sistemas a medida que avanzamos", dijo. "Es importante que alguien esté haciendo los fundamentos, aprendiendo cómo manipular cosas experimentalmente, qué significan las observaciones y cómo las entiendes. Este trabajo es un paso significativo. Demuestra nuestra capacidad para hacer experimentos en un sistema que simula un uno- superconductor dimensional".

Otros coautores incluyen a Ya-Ting Chang y Aashish Kafle de Rice, Sheng Wang de la Academia China de Ciencias y Feng He de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados y el Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear en Trieste. + Explora más

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