Os físicos atômicos da Rice University verificaram uma previsão importante de uma teoria de 55 anos sobre a eletrônica unidimensional que é cada vez mais relevante graças à busca inexorável do Vale do Silício pela miniaturização.

"Os fabricantes de chips vêm reduzindo o tamanho dos recursos dos microchips há décadas, e os físicos de dispositivos agora estão explorando o uso de nanofios e nanotubos onde os canais pelos quais os elétrons passam são quase unidimensionais, "disse o físico experimental de Rice Randy Hulet." Isso é importante porque 1D é um jogo de bola diferente em termos de condutância de elétrons. Você precisa de um novo modelo, uma nova forma de representar a realidade, para dar sentido a isso. "

Com a IBM e outros comprometidos em incorporar nanotubos de carbono unidimensionais em circuitos integrados, os projetos de chips precisarão cada vez mais levar em conta os efeitos 1D que surgem de elétrons sendo férmions, partículas anti-sociais que não querem compartilhar espaço.

As implicações 1D desse impasse chamaram a atenção dos físicos Sin-Itiro Tomonaga e J.M. Luttinger, cujo modelo de comportamento do elétron 1D foi publicado em 1963. Uma previsão chave da teoria do líquido Tomonaga-Luttinger (TLL) é que excitar um elétron em um fio 1D leva a um coletivo, resposta organizada de cada elétron no fio.

Ainda mais estranho, por causa desse comportamento coletivo, A teoria TLL prevê que um elétron em movimento em 1D irá aparentemente se dividir em dois e viajar em velocidades diferentes, apesar do fato de que os elétrons são partículas fundamentais que não têm partes constituintes. Esta estranha separação, conhecido como separação de carga de spin, em vez disso, envolve duas propriedades inerentes do elétron - carga negativa e momento angular, ou "gire".

Em um estudo online esta semana em Cartas de revisão física , Hulet, O físico teórico da Universidade de Genebra Thierry Giamarchi e seus colegas usaram outro tipo de férmion - átomos de lítio ultracold resfriados a 100 bilionésimos de um grau de zero absoluto - para verificar a velocidade prevista com que as ondas de carga se movem em 1D e para oferecer a confirmação de que as ondas de carga 1D aumentar sua velocidade na proporção da força da interação entre eles.

"Em um fio unidimensional, elétrons podem se mover para a esquerda ou para a direita, mas eles não podem contornar outros elétrons, "disse Hulet, Fayez Sarofim, professor de física de Rice. "Se você adicionar energia ao sistema, eles se movem, mas porque eles são férmions e não podem compartilhar espaço, aquele movimento, ou excitação, causa uma espécie de reação em cadeia.

"Um elétron se move, e cutuca o próximo a se mover e o próximo a ele e assim por diante, fazendo com que a energia que você adicionou desça pelo fio como uma onda, "Hulet disse." Essa única excitação criou uma ondulação em todo o fio. "

Em seus experimentos, A equipe de Hulet usou átomos de lítio como substitutos dos elétrons. Os átomos são presos e retardados com lasers que se opõem ao seu movimento. Quanto mais devagar eles vão, quanto mais frios os átomos de lítio se tornam, e em temperaturas muito mais frias do que qualquer na natureza, os átomos se comportam como elétrons. Mais lasers são usados ​​para formar guias de ondas ópticas, tubos unidimensionais largos o suficiente para apenas um átomo. Apesar do esforço necessário para criar essas condições, Hulet disse que os experimentos oferecem uma grande vantagem.

"Podemos usar um campo magnético em nosso experimento para ajustar a força da interação repulsiva entre os átomos de lítio, "Hulet disse." Ao estudar esses coletivos, ou comportamentos de elétrons correlacionados, a força da interação é um fator importante. As interações de elétrons mais fortes ou mais fracas podem produzir efeitos totalmente diferentes, mas é extraordinariamente difícil estudar isso com elétrons por causa da incapacidade de controlar diretamente as interações. Com átomos ultracold, podemos essencialmente ajustar a força da interação para qualquer nível que quisermos e observar o que acontece. "

Enquanto grupos anteriores mediram a velocidade de ondas coletivas em nanofios e em gases de átomos ultracold, nenhum o mediu em função da força de interação, Hulet disse.

"As excitações de carga devem se mover mais rapidamente com o aumento da força de interação, e mostramos isso, "disse ele." Thierry Giamarchi, que literalmente escreveu o livro sobre este assunto, usou a teoria TLL para prever como a onda de carga se comportaria em nossos átomos ultracold, e suas previsões foram confirmadas em nossos experimentos. "

Ter essa capacidade de controlar as interações também prepara o terreno para testar a próxima previsão de TLL:a velocidade das ondas de carga e das ondas de spin divergem com o aumento da força de interação, o que significa que, à medida que os elétrons são feitos para repelir uns aos outros com maior força, as ondas de carga viajarão mais rápido e as ondas de rotação serão mais lentas.

Agora que a equipe verificou o comportamento previsto das ondas de carga, Hulet disse que o próximo plano é medir as ondas de spin para ver se elas se comportam conforme o previsto.

"O sistema 1D é um paradigma para a física eletrônica fortemente correlacionada, que desempenha um papel fundamental em muitas coisas que gostaríamos de entender melhor, como supercondutividade de alta temperatura, materiais pesados ​​de férmions e muito mais, "Hulet disse.