Les physiciens atomiques de l'Université Rice ont vérifié une prédiction clé d'une théorie vieille de 55 ans sur l'électronique unidimensionnelle qui est de plus en plus pertinente grâce à la quête inexorable de la Silicon Valley pour la miniaturisation.

"Les fabricants de puces réduisent la taille des caractéristiques des puces électroniques depuis des décennies, et les physiciens des dispositifs explorent maintenant l'utilisation de nanofils et de nanotubes où les canaux traversés par les électrons sont presque unidimensionnels, " a déclaré le physicien expérimental Rice Randy Hulet. " C'est important parce que 1D est un jeu de balle différent en termes de conductance électronique. Vous avez besoin d'un nouveau modèle, une nouvelle façon de représenter la réalité, pour lui donner un sens."

Avec IBM et d'autres engagés à incorporer des nanotubes de carbone unidimensionnels dans des circuits intégrés, les conceptions de puces devront de plus en plus tenir compte des effets 1D qui résultent du fait que les électrons sont des fermions, particules antisociales qui ne veulent pas partager l'espace.

Les implications 1D de cette distance ont attiré l'attention des physiciens Sin-Itiro Tomonaga et J.M. Luttinger, dont le modèle du comportement des électrons 1D a été publié en 1963. Une prédiction clé de la théorie du liquide Tomonaga-Luttinger (TLL) est que l'excitation d'un électron dans un fil 1D conduit à un collectif, réponse organisée de chaque électron dans le fil.

Plus étrange encore, à cause de ce comportement collectif, La théorie TLL prédit qu'un électron en mouvement en 1D se divisera apparemment en deux et se déplacera à des vitesses différentes, malgré le fait que les électrons sont des particules fondamentales qui n'ont pas de parties constitutives. Cette étrange rupture, connu sous le nom de séparation de charge de spin, implique à la place deux propriétés inhérentes de l'électron-charge négative et moment angulaire, ou "tourner".

Dans une étude en ligne cette semaine en Lettres d'examen physique , Hulet, Le physicien théoricien de l'Université de Genève Thierry Giamarchi et ses collègues ont utilisé un autre type de fermion - des atomes de lithium ultrafroids refroidis à moins de 100 milliardièmes de degré de zéro absolu - pour vérifier la vitesse prédite à laquelle les ondes de charge se déplacent en 1D et confirmer que les ondes de charge 1D augmenter leur vitesse proportionnellement à la force de l'interaction entre eux.

"Dans un fil unidimensionnel, les électrons peuvent se déplacer vers la gauche ou vers la droite, mais ils ne peuvent pas contourner d'autres électrons, " dit Hulet, Rice's Fayez Sarofim Professeur de physique. "Si vous ajoutez de l'énergie au système, ils bougent, mais parce que ce sont des fermions et qu'ils ne peuvent pas partager l'espace, ce mouvement, ou excitation, provoque une sorte de réaction en chaîne.

"Un électron se déplace, et il pousse le suivant à bouger et celui à côté de celui-là et ainsi de suite, faire en sorte que l'énergie que vous avez ajoutée se déplace le long du fil comme une vague, " Hulet a déclaré. "Cette seule excitation a créé une ondulation partout dans le fil."

Dans leurs expériences, L'équipe de Hulet a utilisé des atomes de lithium comme substituts aux électrons. Les atomes sont piégés et ralentis par des lasers qui s'opposent à leur mouvement. Plus ils vont lentement, plus les atomes de lithium deviennent froids, et à des températures bien plus froides que dans la nature, les atomes se comportent comme des électrons. Plus de lasers sont utilisés pour former des guides d'ondes optiques, tubes unidimensionnels assez larges pour un seul atome. Malgré les efforts nécessaires pour créer ces conditions, Hulet a déclaré que les expériences offrent un grand avantage.

"Nous pouvons utiliser un champ magnétique dans notre expérience pour régler la force de l'interaction répulsive entre les atomes de lithium, " dit Hulet. " En étudiant ces collectifs, ou des comportements électroniques corrélés, la force d'interaction est un facteur important. Des interactions électroniques plus fortes ou plus faibles peuvent produire des effets totalement différents, mais il est extrêmement difficile d'étudier cela avec des électrons en raison de l'incapacité de contrôler directement les interactions. Avec des atomes ultrafroids, nous pouvons essentiellement régler la force d'interaction à n'importe quel niveau que nous voulons et regarder ce qui se passe."

Alors que les groupes précédents ont mesuré la vitesse des ondes collectives dans les nanofils et dans les gaz d'atomes ultrafroids, aucun ne l'avait mesuré en fonction de la force d'interaction, dit Hulet.

"Les excitations de charge devraient se déplacer plus rapidement avec une force d'interaction croissante, et nous avons montré que, " dit-il. " Thierry Giamarchi, qui a littéralement écrit le livre sur ce sujet, utilisé la théorie TLL pour prédire comment l'onde de charge se comporterait dans nos atomes ultrafroids, et ses prédictions ont été confirmées dans nos expériences."

Avoir cette capacité à contrôler les interactions ouvre également la voie pour tester la prochaine prédiction TLL :la vitesse des ondes de charge et des ondes de spin divergent avec l'augmentation de la force d'interaction, ce qui signifie que comme les électrons sont faits pour se repousser avec une plus grande force, les ondes de charge se déplaceront plus rapidement et les ondes de spin se déplaceront plus lentement.

Maintenant que l'équipe a vérifié le comportement prévu des ondes de charge, Hulet a déclaré qu'ils prévoyaient ensuite de mesurer les ondes de spin pour voir si elles se comportent comme prévu.

"Le système 1D est un paradigme pour la physique des électrons fortement corrélée, qui joue un rôle clé dans beaucoup de choses que nous aimerions mieux comprendre, comme la supraconductivité à haute température, matériaux de fermions lourds et plus, " dit Hulet.