Kembali ke Masa Depan: Konfirmasi Praktis Teori Tomonaga-Luttinger Setelah Hampir 56 Tahun

Banyak teknologi telah banyak berubah sejak penemuan mereka. Peningkatan mereka didorong oleh berbagai penelitian dan penemuan, yang masing-masing menemukan cara baru untuk mengimplementasikannya, baik itu bahan, model sistem, atau algoritma baru. Secara visual, salah satu contoh yang paling mencolok adalah perangkat komputasi. Pernah mereka menempati seluruh kamar dan beratnya beberapa ton, dan sekarang masing-masing dari kita memiliki ponsel, yang kapasitasnya beberapa kali lebih besar daripada komputer besar. Tetapi proses meminimalkan perangkat dan komponennya masih jauh dari selesai, karena selama ada banyak yang harus dikurangi, para ilmuwan akan menemukan cara baru untuk mencapai ini. Hari ini kita akan berbicara tentang studi yang mungkin sangat mempengaruhi proses minimalisasi, atau lebih tepatnya, tentang konfirmasi eksperimental teori elektron satu dimensi, yang sudah berusia hampir 56 tahun. Ayo pergi.

Latar belakang studi

Kembali pada tahun 1950, fisikawan Jepang Shinichiro Tomonaga mengusulkan model teoretis baru pada waktu itu, yang menggambarkan interaksi elektron dalam konduktor satu dimensi. Selanjutnya, pada tahun 1963, Joaquin Luttinger membuat beberapa koreksi terhadap teori tersebut. Faktanya adalah bahwa dalam teori, di bawah batasan tertentu, interaksi orde kedua antara elektron dapat digambarkan sebagai interaksi bosonik. Luttinger mengubah teorinya, mengingat gelombang Bloch. Ini menunjukkan bahwa pembatasan yang diperkenalkan oleh Tomonaga tidak diperlukan untuk mengimplementasikan model.


Sinichiro Tomonaga (1953)

Pada intinya, model ini adalah deskripsi perilaku elektron menggunakan dua partikel semu. Mereka berbeda satu sama lain dalam hal yang pertama memiliki putaran nol dan muatan, seperti elektron, dan yang kedua memiliki muatan 0, tetapi putarannya adalah 1. Selain itu, kuasi partikel bergerak dengan kecepatan yang berbeda. Dalam teori juga dikemukakan bahwa bekerja dengan muatan tunggal atau putaran elektron dapat menyebabkan reaksi semua elektron.

Menguji teori ini secara empiris sangat sulit, karena para ilmuwan belum dapat sepenuhnya mengendalikan interaksi elektron. Namun, dalam penelitian ini, mereka menemukan jalan keluar dari kesulitan mereka menggunakan atom dingin.


Lebih dari jelas, esensi atom dingin diungkapkan oleh Alexey Akimov dalam video di atas.

Dalam penelitian ini, model gas Fermi dibuat dari fermionic ⁶ Li, karena interaksi gelombang-s yang repulsif mudah dimanipulasi. Untuk mengubah parameter yang diperlukan - faktor struktural dinamis S (q, ω) dari osilasi kepadatan ("muatan") - Spektroskopi Bragg digunakan.

Para peneliti tidak menyangkal bahwa metode pengukuran yang serupa telah digunakan sebelumnya, tetapi metode mereka memiliki sejumlah fitur penting. Pertama, atom "terperangkap" dalam perangkap optik, terdiri dari tiga sinar laser inframerah ortogonal yang saling, masing-masing melewati reflektor * , sementara polarisasi masing-masing balok pantulan diputar 90 ° untuk membentuk perangkap tanpa kisi.

Retroreflector * - perangkat untuk memantulkan sinar kembali ke sumbernya dengan hamburan minimal.

Contoh retroreflektor

Setelah itu, jumlah atom diukur - 1,4 × 10 ⁵ , serta suhu mereka - 0,05 T _F. Dalam kasus khusus ini, _TF adalah suhu Fermi dari masing-masing keadaan putaran, dengan mempertimbangkan bahwa tidak ada interaksi.

Selanjutnya, kedalaman perangkap meningkat, dan polarisasi sinar yang dipantulkan diputar sehingga membentuk kisi tiga dimensi dengan kedalaman VL = 7 E _r , di mana

Er = h ² / (2mλ ² ) adalah energi recoil;
h adalah konstanta Planck *;
m adalah massa atom
λ = 1.064 nm adalah panjang gelombang cahaya.

Untuk mencapai kedalaman kisi yang diinginkan (2,5 E _r ), panjang hamburan disesuaikan. Untuk mengkompensasi cangkang pembatas dari sinar infra merah, tambahan 532 nm non-pantulan diterapkan di sepanjang setiap sumbu, yang mengalami detuning biru * .

Laser detuning * - menyetel sinar ke frekuensi yang berbeda dari resonansi sistem kuantum. Menyetel laser ke frekuensi di atas resonansi disebut blue-detuning .

Selanjutnya, balok kompensasi secara bertahap dimatikan, seperti halnya balok inframerah vertikal. Sejalan dengan ini, intensitas dari dua yang tersisa untuk pembentukan kisi yang sudah dua dimensi (15 _r ) meningkat. Karena itu, kisi dua dimensi menciptakan sekelompok tabung satu dimensi praktis terisolasi. Mereka dapat digambarkan menggunakan dua parameter: getaran harmonik aksial - ωz = (2π) 1,3 kHz dan getaran harmonik radial - ω⊥ = (2π) 198 kHz.

Melakukan manipulasi ini menyebabkan penurunan jumlah total atom dalam percobaan menjadi N = 1,1 × 10 ⁵ .

Spektroskopi Bragg melibatkan dua sinar laser dengan vektor k ₁ dan k ₂ , serta perbedaan frekuensi ω. Sinar lewat pada sudut θ relatif satu sama lain dan memotong atom secara simetris sehubungan dengan garis tegak lurus terhadap sumbu tabung (z). Kedua sinar ini mengarah pada transisi dua-foton yang terstimulasi, yang memicu “superposisi” keadaan dasar sistem kuantum pada eksitasi frekuensi ω dan komponen-z dari pulsa q = | k ₁ - k ₂ | = 2k dosa (θ / 2), di mana k = | k ₁ | = | k ₂ |.

Sudut antara sinar diatur ke θ / 2 ～ 4,5 °, yang mengarah ke q / k _F ≃ 0,2 untuk tabung pusat dengan jumlah atom N _m = 60.

Seperti yang telah menjadi jelas, sudut antara sinar laser menentukan eksponen q, yang harus lebih rendah dari momentum Fermi. Lebih lanjut tentang ini nanti.


Gambar No. 1

Sinar Bragg beroperasi selama 300 mikrodetik, yaitu sekitar 2 kali lebih sedikit dari periode aksial, tetapi lebih dibandingkan dengan ω ^-1 . Nuansa yang penting, karena ini menyederhanakan analisis dan mengurangi perluasan waktu pulsa.

Begitu balok Bragg bekerja pada sampel uji, sinar perangkap optik dimatikan. Setelah 150 mikrodetik menggunakan gambar fase kontras kontras diperoleh. Percobaan diulangi, tetapi tanpa pengaruh sinar Bragg, untuk mendapatkan gambar "referensi".

Gambar a dan b masing-masing menunjukkan kerapatan kolom dari versi eksperimental dan "referensi". Dengan - perbedaan di antara mereka. d adalah grafik rasio ketiga indikator sebelumnya: a, b dan c.

Para peneliti menunjukkan bahwa sinyal Bragg berada dalam mode respons linier karena perubahan intensitas pancarannya yang disebabkan oleh perubahan durasi paparan. Dalam mode ini, frekuensi transisi Bragg yang terstimulasi bergantung pada intensitas radiasi laser.


Gambar No. 2

Seperti yang dapat dilihat dari grafik di atas, ketika intensitas radiasi kurang dari 55 mW / cm ² , transfer pulsa dalam mode respons linear dalam seluruh rentang gaya interaksi yang tersedia dalam percobaan.


Gambar No. 3

Grafik di atas menunjukkan rasio sinyal Bragg terhadap frekuensi, di mana setiap titik berhubungan dengan 20-30 percobaan untuk setiap nilai ω dan konstanta q.


Gambar No. 4

Grafik di atas menunjukkan hasil pengukuran nilai ω. Dengan peningkatan gaya interaksi ke 400a ₀ , nilai frekuensi juga meningkat. Dengan peningkatan lebih lanjut lebih dari 400, pemanasan dan kehilangan atom diamati, yang kemungkinan besar disebabkan oleh rekombinasi tiga komponen karena cabang atas yang tidak stabil selama transisi dari kisi tiga dimensi ke kisi dua dimensi.

Untuk pengukuran lebih lanjut, diputuskan untuk menghitung faktor struktural pada suhu 200 nK dan membandingkan hasil ini dengan yang sebelumnya dalam percobaan. Dalam perhitungan ini, satu-satunya parameter yang dapat dimanipulasi adalah penskalaan eksitasi. Nilai eksitasi puncak ditunjukkan pada grafik 4 sebagai titik merah. Tetapi garis putus-putus menunjukkan hasil teoretis. Jelas, hasil teoritis eksperimental praktis bertepatan. Hasil ini adalah bukti pertama dari demonstrasi eksperimental perubahan dalam tingkat eksitasi kolektif dalam gas Fermi satu dimensi dalam menanggapi suatu interaksi.

Untuk membiasakan diri dengan perincian studi ini, saya sangat menyarankan agar Anda mencarinya di sini (laporan para ilmuwan) .

Epilog

Para ilmuwan telah berhasil mengukur respons dinamis di dalam sistem fermionik dua komponen satu dimensi menggunakan spektroskopi Bragg. Eksperimen ini dalam praktiknya dapat mengkonfirmasi kebenaran teori Tomonaga-Luttinger.

Para ilmuwan yakin bahwa kemampuan untuk memanipulasi kekuatan interaksi melalui resonansi Feshbach akan membuka pintu bagi penelitian di masa depan yang dapat melintasi batas-batas yang dijelaskan dalam teori Tomonaga-Luttinger.

Pekerjaan ini sangat sulit untuk disebut mudah, karena melibatkan banyak masalah dalam percobaan dan pengukuran hasilnya. Namun, keinginan untuk mempelajari sesuatu yang baru, serta pentingnya sesuatu yang baru untuk pengembangan teknosfer Bumi adalah luar biasa besar. Membiasakan diri dengan studi semacam itu, Anda memahami betapa rumitnya dunia di sekitar kita. Selama berabad-abad kita telah berusaha untuk memahami, menyederhanakan dan menempatkannya di bawah, tetapi dengan setiap penemuan baru, banyak pertanyaan baru muncul yang memperumit apa yang seharusnya kita sederhanakan.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?