De volta ao futuro: confirmação prática da teoria de Tomonaga-Luttinger após quase 56 anos

Muitas tecnologias mudaram muito desde a sua invenção. Sua melhoria foi impulsionada por vários estudos e descobertas, cada um dos quais encontrou novas maneiras de implementá-lo, sejam materiais, modelos de sistema ou novos algoritmos. Visualmente, um dos exemplos mais impressionantes são os dispositivos de computação. Uma vez que eles ocupavam salas inteiras e pesavam várias toneladas, e agora cada um de nós tem um telefone celular, cuja capacidade é várias vezes maior que a dos computadores grandes. Mas o processo de minimizar dispositivos e seus componentes está longe de estar completo, porque enquanto houver muito a reduzir, os cientistas inventarão novas maneiras de conseguir isso. Hoje falaremos sobre um estudo que pode afetar bastante o processo de minimização, ou melhor, sobre a confirmação experimental da teoria dos elétrons unidimensionais, que já tem quase 56 anos. Vamos lá

Estudo de fundo

Em 1950, o físico japonês Shinichiro Tomonaga propôs um novo modelo teórico na época, que descreve a interação de elétrons em um condutor unidimensional. Além disso, em 1963, Joaquin Luttinger fez algumas correções na teoria. O fato é que, em teoria, sob certas restrições, a interação de segunda ordem entre elétrons pode ser descrita como interações bosônicas. Luttinger mudou a teoria, dadas as ondas de Bloch. Isso mostrou que as restrições introduzidas por Tomonaga não são necessárias para implementar o modelo.


Sinichiro Tomonaga (1953)

Na sua essência, este modelo é uma descrição do comportamento dos elétrons usando duas quase-partículas. Eles diferem um do outro porque o primeiro tem rotação e carga zero, como um elétron, e o segundo tem carga de 0, mas a rotação é 1. Além disso, as quasipartículas se movem em velocidades diferentes. Também é argumentado na teoria que agir sobre uma única carga ou rotação de um elétron pode causar uma reação de todos os elétrons.

Testar esta teoria empiricamente é extremamente difícil, porque os cientistas ainda não foram capazes de assumir completamente o controle da interação dos elétrons. No entanto, neste estudo, eles encontraram uma saída para sua situação usando átomos frios.


Mais do que lucidamente, a essência dos átomos frios é revelada por Alexey Akimov no vídeo acima.

Neste estudo, um modelo de gás Fermi foi criado a partir de ⁶ Li fermiônico, uma vez que suas interações repulsivas da onda s são facilmente manipuladas. Para alterar o parâmetro necessário - o fator estrutural dinâmico S (q, ω) das oscilações de densidade (“carga”) - foi utilizada a espectroscopia de Bragg.

Os pesquisadores não negam que um método de medição semelhante já tenha sido usado anteriormente, mas seu método possui vários recursos importantes. Primeiro, os átomos foram "presos" em uma armadilha óptica, consistindo em três raios laser infravermelhos mutuamente ortogonais, cada um dos quais passou através de um refletor * , enquanto a polarização de cada feixe refletido foi girada 90 ° para formar uma armadilha sem grade.

Retrorefletor * - um dispositivo para refletir o feixe de volta à sua fonte com dispersão mínima.

Exemplo de retrorefletor

Depois disso, o número de átomos foi medido - 1,4 × 10 ⁵ , bem como a temperatura - 0,05 T _F. Nesse caso em particular, _TF é a temperatura de Fermi de cada estado de rotação, levando em consideração que não há interações.

Além disso, a profundidade da armadilha foi aumentada e a polarização dos raios refletidos foi girada de modo a formar uma rede tridimensional com uma profundidade de VL = 7 E _r , onde

Er = h ² / (2mλ ² ) é a energia de recuo;
h é a constante de Planck *;
m é a massa atômica
λ = 1.064 nm é o comprimento de onda da luz.

A fim de alcançar a profundidade da rede desejada (2,5 E _r ), o comprimento de espalhamento foi ajustado. Para compensar a camada delimitadora dos raios infravermelhos, um feixe não refletido adicional de 532 nm foi aplicado ao longo de cada eixo, que foi submetido a um desfunçamento azul * .

Detuning a laser * - ajustando o feixe para uma frequência diferente da ressonância de um sistema quântico. Ajustar o laser para uma frequência acima da ressonância é chamado de desafinação azul .

Posteriormente, o feixe de compensação foi gradualmente desligado, assim como o feixe de infravermelho vertical. Paralelamente, a intensidade dos dois restantes para a formação de uma rede já bidimensional (15 _r ) aumentou. Devido a isso, a rede bidimensional criou um monte de tubos unidimensionais praticamente isolados. Eles podem ser descritos usando dois parâmetros: vibração harmônica axial - ωz = (2π) 1,3 kHz e vibração harmônica radial - ω⊥ = (2π) 198 kHz.

A realização dessas manipulações levou a uma diminuição no número total de átomos no experimento para N = 1,1 × 10 ⁵ .

A espectroscopia de Bragg envolve dois feixes de laser com os vetores k ₁ e k ₂ , bem como uma diferença de frequência ω. Os raios passam em um ângulo θ em relação um ao outro e cruzam os átomos simetricamente em relação à linha perpendicular ao eixo do tubo (z). Esses dois raios levam a uma transição estimulada de dois fótons, que provoca a “superposição” do estado fundamental do sistema quântico na excitação de frequências de ω e no componente z do pulso q = | k ₁ - k ₂ | = 2k sen (θ / 2), onde k = | k ₁ | = | k ₂ |.

O ângulo entre os raios foi ajustado em θ / 2 ～ 4,5 °, o que leva a q / k _F ≃ 0,2 para o tubo central com o número de átomos N _m = 60.

Como já ficou claro, o ângulo entre os raios laser determina o expoente q, que deve ser menor que o momento de Fermi. Mais sobre isso mais tarde.


Imagem Nº 1

Os raios de Bragg operam por 300 microssegundos, o que é cerca de 2 vezes menor que o período axial, mas mais comparado a ω ^-1 . Uma nuance importante, pois isso simplifica a análise e reduz a ampliação do tempo de pulso.

Assim que o feixe de Bragg atua na amostra de teste, os raios da armadilha óptica são desligados. Após 150 microssegundos usando imagens de microscopia de contraste de fase são obtidas. O experimento é repetido, mas sem a influência dos raios de Bragg, para obter uma imagem "de referência".

As imagens aeb mostram a densidade da coluna da versão experimental e a "referência", respectivamente. Com - uma diferença entre eles. d é um gráfico da proporção dos três indicadores anteriores: a, bec.

Os pesquisadores apontam que o sinal de Bragg estava no modo de resposta linear devido a mudanças na intensidade do seu feixe causadas por mudanças na duração da exposição. Nesse modo, a frequência das transições de Bragg estimuladas depende quadraticamente da intensidade da radiação laser.


Imagem No. 2

Como pode ser visto no gráfico acima, quando a intensidade da radiação é menor que 55 mW / cm ² , a transferência de pulso está no modo de resposta linear em toda a faixa da força de interação disponível no experimento.


Imagem No. 3

O gráfico acima mostra a razão entre o sinal de Bragg e a frequência, em que cada ponto corresponde a 20 a 30 tentativas experimentais para cada valor de ω e constante q.


Imagem No. 4

O gráfico acima mostra os resultados da medição do valor de ω. Com um aumento na força de interação para 400a ₀ , o valor da frequência também aumenta. Com um aumento adicional superior a 400, foi observado aquecimento e perda de átomos, o que é mais provável devido à recombinação de três componentes devido ao ramo superior instável durante a transição de uma rede tridimensional para uma bidimensional.

Para medições posteriores, decidiu-se calcular o fator estrutural a uma temperatura de 200 nK e comparar esses resultados com os anteriores no experimento. Neste cálculo, o único parâmetro que pode ser manipulado é o dimensionamento da excitação. Os valores de pico de excitação são mostrados no gráfico 4 como pontos vermelhos. Mas a linha tracejada mostra os resultados teóricos. Obviamente, os resultados teóricos experimentais praticamente coincidem. Estes resultados são a primeira evidência de uma demonstração experimental de mudanças na taxa de excitação coletiva em um gás Fermi unidimensional em resposta a uma interação.

Para se familiarizar com os detalhes deste estudo, recomendo fortemente que você olhe aqui (relatório de cientistas) .

Epílogo

Os cientistas conseguiram medir com sucesso a resposta dinâmica dentro de um sistema fermiônico bidimensional de dois componentes usando a espectroscopia de Bragg. Este experimento foi capaz na prática de confirmar a verdade da teoria de Tomonaga-Luttinger.

Os cientistas têm certeza de que a capacidade de manipular a força da interação através da ressonância de Feshbach abrirá as portas para pesquisas futuras que possam cruzar os limites descritos na teoria de Tomonaga-Luttinger.

Esse trabalho é extremamente difícil de chamar de fácil, pois envolve muitos problemas no experimento e nas medidas de seus resultados. No entanto, o desejo de aprender algo novo, bem como a importância de algo novo para o desenvolvimento da tecnosfera da Terra, é incomensuravelmente grande. Familiarizando-se com esses estudos, você entende o quão complicado é o mundo que nos cerca. Por muitos séculos, tentamos entendê-lo, simplificá-lo e subordiná-lo, mas, a cada nova descoberta, surgem várias questões que complicam o que supostamente simplificamos.

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