为了比较电荷和自旋波的速度，莱斯大学物理学家Danyel Cavazos及其同事建立了一个量子模拟器，该模拟器使用超冷锂原子作为电子的替代品，并使用光通道代替1D电子线。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

莱斯大学的一个量子模拟器正在让物理学家清楚地看到自旋电荷分离，这是量子世界版的魔术师将一个人锯成两半的幻觉。

该研究于本周发表在《科学》杂志上，对量子计算和具有原子尺度导线的电子学具有重要意义。

电子是微小的亚原子粒子，无法分割。尽管如此，量子力学规定它们的两个属性 - 自旋和电荷 - 在一维导线中以不同的速度行进。

水稻物理学家Randy Hulet，Ruwan Senaratne和Danyel Cavazos建立了一个超冷的场地，在那里他们可以反复观看和拍摄这种量子奇观的原始版本，他们与来自莱斯，中国，澳大利亚和意大利的理论家合作发表了结果。

量子模拟器利用原子，离子或分子等真实物体的量子特性来解决传统计算机难以或不可能解决的问题。赖斯的自旋电荷模拟器使用锂原子作为电子的替代品，并使用光通道代替1D电子线。

宇宙充斥着热量，掩盖了原子的量子行为。为了感知锂中的量子效应，Hulet的团队使用激光冷却使其原子比宇宙中最冷的自然物体冷100万倍。其他激光器创建了1D光通道或光波导。

莱斯大学物理学家Ruwan Senaratne及其同事使用激光冷却来构建量子模拟器，在那里他们可以反复观察和拍摄称为自旋电荷分离的量子效应。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

让理想成为现实

电子是拒绝彼此共享空间的反社会量子粒子。自旋电荷分离是1D中这种相互厌恶的表现。大约60年前，物理学家Shinichiro Tomonaga和Joaquin Luttinger在理论上提出了这一公式。但事实证明，在电子材料中测量它非常困难。

赖斯的Fayez Sarofim物理学教授，莱斯量子计划的成员Hulet表示，模拟器可以以以前不可能的方式探测自旋电荷分离的物理学。

“人们已经观察到固态材料中的自旋电荷分离，但他们没有以非常干净或定量的方式看到它，”Hulet说。“我们的实验确实是第一个提供可量化测量结果的实验，可以与几乎精确的理论进行比较。

真正的材料有缺陷，但Tomonaga和Luttinger的理论描述了电子在完美的1D导线中的行为。新的模拟揭示了真实量子粒子在类似于理论理想的原始环境中的行为。

“冷原子使我们能够调整粒子之间相互作用的强度，从而可以与Tomonaga-Luttinger液体理论进行近乎教科书式的比较，”Hulet说。

更少的尺寸，不同的物理场

当一个电子撞击另一个电子时，它传递的能量可以将被撞击的电子激发到更高的能量状态。在3D材料中，激发的电子会消失，与某物碰撞，失去一点能量，向一个新的方向倾斜，与其他物体碰撞等等。但这在1D中不会发生。

“在1D中，每个激发都是集体的，”Hulet说。“如果你在1D导线中推一个电子，它会推它旁边的电子，它会推它旁边的电子，依此类推。

Hulet实验室的研究科学家Senaratne说：“他们不能互相移动。他们被困在一条线上。如果您移动其中一个，则必须将它们全部移动。这就是为什么1D导线中电子的激发必然是集体的。

当电子在1D中碰撞时，激发会以波的形式沿着导线产生波纹。Tomonaga和Luttinger意识到自旋激发波的移动速度比电荷波慢。但Hullet说，将这种分离想象成电子的分裂是不正确的，或者在模拟器的情况下，是锂原子的分裂。

“这不是直观的，”他说。“你必须把物质想象成波浪存在。

赖斯物理学家（左起）Ruwan Senaratne，Randy Hulet，Aashish Kafle和Danyel Cavazos建立了一个量子模拟器来测量自旋电荷分离，这是一种效应，其中自旋和电荷，称为电子的不可分割粒子的特征，以不同的速度通过1D导线移动。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

比较速度

2018年，Hulet的团队制作了一个1D模拟器，可以激发相当于电荷波的电波，他的团队测量了波的移动速度。为了测试Tomonaga-Luttinger Liquid模型，他们需要将这些电荷波的速度与沿线移动的自旋波的速度进行比较。

“我们当时无法激发自旋波，但Ruwan和Danyel建立了一个可以的系统，”Hulet说。“我们必须克服与自发排放过程相关的技术障碍。

卡瓦佐斯说：“我们试图看到的效果，有点微妙。因此，如果你过于打扰它，它就会被冲走。一个类比是，如果我们试图拍摄某物的照片，但闪光灯正在破坏我们试图拍摄的东西。因此，在这个类比中，我们必须改变闪光灯的颜色，以使其更加柔和。我们还对系统进行了一些更改，使其不再像以前那样脆弱。这种组合使我们能够真正看到微妙的效果。

实验数据与研究小组的预测密切相关，该研究小组的共同作者是中国科学院和澳大利亚国立大学的Xi-Wen Guan以及莱斯大学的合著者Han Pu。

一维事宜

“随着集成电路变得越来越小，芯片制造商不得不开始担心维度，”Hulet说。“他们的电路最终成为一维系统，必须以与我们一直在谈论的一维导线相同的方式传导和传输电子。

这项研究还可能有助于拓扑量子计算机技术的发展，这些技术将以量子比特编码信息，这些量子位不受困扰当今量子计算机的退相干的影响。微软和其他公司希望用称为马约拉纳费米子的量子粒子创建拓扑量子位，这些量子粒子可能存在于一些1D或2D超导体中。Hulet的长期目标是模拟一种可以容纳马约拉纳费米子的一维超导体，他说本周的报告代表了朝着这一目标迈出的一大步。

“我们正在学习这些系统，”他说。“对于人来说，重要的是要做基础知识，学习如何通过实验来操纵事物，观察结果意味着什么以及你如何理解它们。这项工作是重要的一步。它展示了我们在模拟一维超导体的系统上进行实验的能力。

其他合著者包括Rice的Ya-Ting Chang和Aashish Kafle，中国科学院的王胜以及的里雅斯特国际高等研究院和意大利国家核物理研究所的何峰。