Um simulador quântico da Rice University está dando aos físicos uma visão clara da separação de spin-carga, a versão do mundo quântico da ilusão do mágico de serrar uma pessoa ao meio.
Publicado esta semana em Science , a pesquisa tem implicações para a computação quântica e eletrônica com fios em escala atômica.

Os elétrons são partículas subatômicas minúsculas que não podem ser divididas. Apesar disso, a mecânica quântica determina que dois de seus atributos – rotação e carga – viajam em velocidades diferentes em fios unidimensionais.

Os físicos de arroz Randy Hulet, Ruwan Senaratne e Danyel Cavazos construíram um local ultrafrio onde podiam ver e fotografar repetidamente uma versão primitiva desse espetáculo quântico e colaboraram com teóricos de Rice, China, Austrália e Itália nos resultados publicados.

Os simuladores quânticos exploram propriedades quânticas de objetos reais como átomos, íons ou moléculas para resolver problemas difíceis ou impossíveis de resolver com computadores convencionais. O simulador de carga de spin da Rice usa átomos de lítio como substitutos para elétrons e um canal de luz no lugar de um fio eletrônico 1D.

O universo está inundado de calor que obscurece o comportamento quântico dos átomos. Para perceber os efeitos quânticos no lítio, a equipe de Hulet usou o resfriamento a laser para tornar seus átomos 1 milhão de vezes mais frios do que o objeto natural mais frio do universo. Lasers adicionais criaram o canal de luz 1D, ou guia de ondas óptico.

Ideal tornado realidade

Os elétrons são partículas quânticas anti-sociais que se recusam a compartilhar espaço umas com as outras. A separação de spin-carga é uma manifestação desse ódio mútuo em 1D. Foi teoricamente formulado pelos físicos Shinichiro Tomonaga e Joaquin Luttinger há cerca de 60 anos. Mas medi-lo em materiais eletrônicos provou ser extremamente difícil.

Hulet, professor de física Fayez Sarofim da Rice e membro da Rice Quantum Initiative, disse que o simulador pode investigar a física da separação de spin-carga de uma maneira que não era possível anteriormente.

“As pessoas observaram a separação de cargas de spin em materiais de estado sólido, mas não a viram de uma maneira muito limpa ou quantitativa”, disse Hulet. "Nosso experimento é realmente o primeiro a fornecer medições quantificáveis ​​que podem ser comparadas com uma teoria quase exata."

Materiais reais têm imperfeições, mas a teoria de Tomonaga e Luttinger descreve o comportamento dos elétrons em um fio 1D impecável. A nova simulação revela o comportamento de partículas quânticas reais em um cenário primitivo semelhante ao ideal teórico.

“Os átomos frios nos dão a capacidade de ajustar a força da interação entre as partículas, permitindo uma comparação quase de livro com a teoria do líquido Tomonaga-Luttinger”, disse Hulet.

Menos dimensões, física diferente

Quando um elétron atinge outro, ele transmite energia que pode excitar o elétron atingido para um estado de energia mais alto. Em um material 3D, o elétron excitado se afasta, colide com alguma coisa, perde um pouco de energia, sai em uma nova direção para colidir com outra coisa e assim por diante. Mas isso não pode acontecer em 1D.

"Em 1D, toda excitação é coletiva", disse Hulet. "Se você empurra um elétron em um fio 1D, ele empurra o próximo a ele, e empurra o próximo e assim por diante."

Senaratne, um cientista pesquisador do laboratório de Hulet, disse:"Eles não podem se mover um ao redor do outro. Eles estão presos em uma linha. Se você mover um deles, terá que mover todos. É por isso que as excitações de elétrons em um Os fios 1D são necessariamente coletivos."

Quando os elétrons colidem em 1D, as excitações ondulam pelo fio em ondas. Tomonaga e Luttinger perceberam que as ondas de excitação de spin se moveriam mais lentamente do que as ondas de carga. Mas Hulet disse que é incorreto imaginar essa separação como a divisão de um elétron ou, no caso do simulador, a divisão de um átomo de lítio.

"Não é intuitivo", disse ele. "Você tem que imaginar a matéria existindo como ondas."

Comparando velocidades

Em 2018, o grupo de Hulet fez um simulador 1D que poderia excitar o equivalente a ondas de carga, e sua equipe mediu a rapidez com que as ondas se moviam. Para testar o modelo Tomonaga-Luttinger Liquid, eles precisaram comparar a velocidade dessas ondas de carga com a velocidade das ondas de spin movendo-se ao longo da linha.

"Não conseguimos excitar ondas de spin naquela época, mas Ruwan e Danyel montaram um sistema que poderia", disse Hulet. "Tivemos que superar uma barreira técnica relacionada a um processo chamado emissão espontânea."

Cavazos disse:"O efeito que estamos tentando ver, é um pouco sutil. Então, se você perturbá-lo demais, ele será simplesmente lavado. Uma analogia seria se estivéssemos tentando tirar uma foto de algo, mas o flash estava danificando o que estávamos tentando fotografar. Então tivemos que mudar a cor do flash, nesta analogia, para torná-lo mais suave. Também mudamos um pouco o sistema para que não ficasse tão frágil quanto antes. Isso combinação nos permitiu realmente ver o efeito sutil."

Os dados experimentais combinaram de perto com as previsões de um cálculo teórico de última geração feito pelos grupos de pesquisa do coautor do estudo Xi-Wen Guan da Academia Chinesa de Ciências e da Universidade Nacional Australiana e do coautor Han Pu em Arroz.

1D importa

"À medida que os circuitos integrados se tornam menores, os fabricantes de chips precisam começar a se preocupar com a dimensionalidade", disse Hulet. “Seus circuitos eventualmente se tornam um sistema unidimensional que tem que conduzir e transportar elétrons da mesma maneira que os fios unidimensionais sobre os quais estamos falando”.

A pesquisa também pode ajudar no desenvolvimento de tecnologia para computadores quânticos topológicos que codificariam informações em qubits livres da decoerência que assola os computadores quânticos atuais. A Microsoft e outros esperam criar qubits topológicos com partículas quânticas chamadas férmions de Majorana que podem existir em alguns supercondutores 1D ou 2D. O objetivo de longo prazo de Hulet é simular um tipo de supercondutor 1D que pode hospedar férmions de Majorana, e ele disse que o relatório desta semana representa um grande passo em direção a esse objetivo.

"Estamos aprendendo sobre esses sistemas à medida que avançamos", disse ele. "É importante que alguém esteja fazendo os fundamentos, aprendendo a manipular as coisas experimentalmente, o que as observações significam e como você as entende. Este trabalho é um passo significativo. Ele demonstra nossa capacidade de fazer experimentos em um sistema que simula um supercondutor dimensional."

Outros co-autores incluem Ya-Ting Chang e Aashish Kafle da Rice, Sheng Wang da Academia Chinesa de Ciências e Feng He da Escola Internacional de Estudos Avançados e do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear em Trieste. + Explorar mais

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