賴斯大學的原子物理學家已經驗證了一項關于一維電子學的55年理論的關鍵預測，這一理論由于硅谷對小型化的無情追求而日益相關。

“數(shù)十年來，芯片制造商一直在縮小微芯片上的特征尺寸，設備物理學家正在探索使用納米線和納米管，其中電子通過的通道幾乎是一維的，”賴斯實驗物理學家Randy Hulet說。“這很重要，因為就電子傳導而言，1D是一個不同的球賽。你需要一種新模式，一種表現(xiàn)現(xiàn)實的新方式，才能理解它。”

隨著IBM和其他公司致力于將一維碳納米管結合到集成電路中，芯片設計將越來越需要考慮由電子為費米子，不愿共享空間的反社會粒子引起的一維效應。

這種冷漠的一維含義引起了物理學家Sin-Itiro Tomonaga和JM Luttinger的注意，他的一維電子行為模型于1963年發(fā)表.Tomonaga-Luttinger液體(TLL)理論的一個關鍵預測是在一維中激發(fā)一個電子導線導致導線中每個電子的集體有組織的響應。

奇怪的是，由于這種集體行為，TLL理論預測1D中的移動電子看起來會分裂為兩個并以不同的速度行進，盡管電子是沒有組成部分的基本粒子。這種奇怪的分裂，稱為自旋電荷分離，相反涉及電子的兩個固有屬性 - 負電荷和角動量，或“旋轉”。

在本周的物理評論快報中，Hulet，日內瓦大學理論物理學家Thierry Giamarchi和他們的同事使用另一種類型的費米子 - 超冷鋰原子冷卻到絕對零度的100億分之一 - 來驗證電荷波在1D內移動的預測速度，并確認1D??電荷波與它們之間相互作用的強度成比例地增加其速度。

“在一維導線中，電子可以向左或向右移動，但它們不能繞過其他電子，”賴斯，萊因的物理學教授Fayez Sarofim說。“如果你給系統(tǒng)增加能量，它們會移動，但由于它們是費米子并且不能共享空間，這種運動或激發(fā)會引起一種連鎖反應。

“一個電子移動，它會推動下一個移動，另一個移動到那個旁邊，依此類推，導致你所添加的能量像波浪一樣向下移動，”Hulet說。“這種單一的激發(fā)在電線中到處都產生了波紋。”

在他們的實驗中，Hulet的團隊使用鋰原子作為電子的替身。原子被激光阻擋并減速，與激光相反。它們越慢，鋰原子變得越冷，并且在比自然界更冷的溫度下，原子表現(xiàn)得像電子。更多的激光用于形成光波導，一維管足夠寬，僅用于一個原子。盡管需要努力創(chuàng)造這些條件，但Hulet說這些實驗提供了很大的優(yōu)勢。

“我們可以在實驗中使用磁場來調節(jié)鋰原子之間排斥相互作用的強度，”Hulet說。“在研究這些集體或相關電子行為時，相互作用強度是一個重要因素。更強或更弱的電子相互作用可以產生完全不同的效應，但由于無法直接控制相互作用，因此用電子研究它非常困難。使用超冷原子，我們基本上可以將交互強度撥到我們想要的任何級別，并觀察會發(fā)生什么。“

Hulet說，雖然以前的研究小組已經測量了納米線和超冷原子氣體中集體波的速度，但沒有人測量它是相互作用強度的函數(shù)。

“預計充電激勵會隨著交互強度的增加而加快，我們會發(fā)現(xiàn)，”他說。“蒂埃里·吉亞瑪奇(Thierry Giamarchi)，就這個主題編寫了這本書，用TLL理論來預測電荷波在我們的超冷原子中的表現(xiàn)，他的預測在我們的實驗中得到了證實。”

具有控制相互作用的能力也為測試下一個TLL預測奠定了基礎：電荷波和自旋波的速度隨著相互作用強度的增加而發(fā)散，這意味著當電子以更大的力量相互排斥時，電荷波將更快地傳播旋轉波會慢一些。

現(xiàn)在團隊已經驗證了電荷波的預測行為，Hulet表示他們接下來計劃測量自旋波，看看它們是否像預測的那樣。

“一維系統(tǒng)是強相關電子物理學的典范，它在我們想要更好理解的許多事情中起著關鍵作用，如高溫超導，重費米子材料等等，”Hulet說。