Ученые экспериментально воспроизвели модель одномерного электронного газа. В таком виде вещество может находиться в сверхтонких проводниках, таких как нанотрубки. В этом случае поведение электронов можно описать как взаимодействие двух квазичастиц, одна из которых переносит только заряд, а другая — только спин. В результате авторы исследования смогли подтвердить предсказания теоретического описания подобных систем, созданного в середине XX века. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Создатели микроэлектроники на протяжении десятилетий уменьшают размеры чипов, поэтому физики сегодня исследуют, можно ли использовать в качестве проводников тока нанопровода и нанотрубки, в которых электроны двигаются практически в одном измерении, — объясняет актуальность работы руководитель коллектива Рэнди Хьюлет из Университета Райса (США). — Это важное обстоятельство, так как с точки зрения электронной проводимости одномерное пространство представляет особую ситуацию. В таком случае для описания действительности нужна новая модель».

С точки зрения теории электрон — это фермион, то есть заряженная частица со спином 1/2. Такие частицы стремятся не находиться рядом друг с другом. Для того чтобы описать их движение в случае одного измерения Синъитиро Томонага и Хоакин Латтинжер в 1950-х годах создали специальную модель. Она предсказывает, что в некоторых случаях поведение электрона можно описать при помощи двух квазичастиц, одна из которых обладает таким же зарядом, но нулевым спином, а другая — нулевым зарядом, но спином, равным единице. Более того, эти частицы двигаются с разными скоростями. Этот феномен получил название разделения спина и заряда. Одним из предсказаний теории было то, что электроны начинают коллективно реагировать на возбуждение одного из них.

В новой работе физики создали модель электронного газа из других фермионов — атомов лития, охлажденных до одной десятимиллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Атомы были пойманы в оптическую ловушку, их движением управляли специальные лазеры, а сила взаимодействия между ними регулировалась с помощью магнитного поля. В результате физики смогли подтвердить предсказанную теорией Томонаги — Латтинжера скорость зарядовых волн и ее увеличение с ростом силы взаимодействия между частицами, чего ранее не удавалось сделать.

«Если заставить один электрон двигаться, то он будет подталкивать соседние так, что возмущение будет распространяться подобно цепной реакции, образуя волну в проводе, — говорит Хьюлет. — При исследовании такого коллективного, скоррелированного поведения электронов их взаимодействие оказывается важным фактором, так как его сила может приводить к появлению новых эффектов. Это чрезвычайно трудно изучать в случае электронов, так как мы не умеем напрямую управлять их взаимодействием. С ультрахолодными атомами проще: можно настраивать силу их взаимодействия и смотреть, что получается».