55年前关于纳米管中电子行为的理论预测成真！

这张照片展示了被交叉激光束限制的超冷锂原子，图片来源：Jeff Fitlow /莱斯大学

莱斯大学的原子物理学家证实了一项重要的预测，该预测来自于一项已有55年历史的一维电子学理论，由于硅谷对微型化的不懈追求使得这一理论至今仍然适用。

莱斯实验物理学家Randy Hulet说:“数十年来，芯片制造商一直在缩小微芯片的尺寸，并且设备物理学家现在正在探索使用纳米线和纳米管，其中电子通过的通道几乎是一维的。这很重要，因为一维从电子电导的角度而言与球类运动有所不同。你需要一个新的模式，一种新的表达现实的方式，来理解它。”

随着IBM和其他公司致力于将一维碳纳米管集成到集成电路中，芯片设计将越来越需要考虑到电子是费米子产生的一维效应，它是不愿共享空间的反社会粒子。

这种僵持的一维含义引起了物理学家Sin-Itiro Tomonaga和JM Luttinger的注意，他们的一维电子行为模型在1963年发表。Tomonaga-Luttinger液体（TLL）理论的关键预测是，在1D导线中激发一个电子会导致导线中每个电子的集体有组织的响应。

奇怪的是，由于这种集体行为，TLL理论预测1D中的移动电子看起来会分裂为两个并以不同的速度传播，尽管电子是没有组成部分的基本粒子。这种奇怪的分离被称为自旋电荷分离，它涉及到电子的两种固有性质——负电荷和角动量，或称“自旋”。

在《Physical Review Letters》上的一项研究中，Hulet、日内瓦大学的理论物理学家Thierry Giamarchi和他们的同事们利用另一种费米子——冷却到绝对零度的千分之一以内的超冷锂原子。他们使用这些超冷原子来验证电荷波在一维中运动的预测速度，并证实一维电荷波的速度与它们之间相互作用的强度成正比。

物理学教授Hulet解释道：“在一维导线中，电子可以向左或向右移动，但它们不能绕过其他电子，如果你给系统增加能量，它们会移动，但由于它们是费米子并且不能共享空间，这种运动或激发会引起一种连锁反应。”

Hulet说:“一个电子移动，它会推动下一个电子移动，另一个电子也会随之移动，以此类推，从而导致你所添加的能量像波一样沿导线移动。这种简单的应激反应在导线各处都产生了涟波。”

在他们的实验中，Hulet的团队使用锂原子作为电子的替身。这些原子被用与它们运动相反的激光来捕获并减速。它们运动的速度越慢，锂原子的温度就越低，直到在比自然界任何温度都低得多的温度下，锂原子的行为就像电子一样。更多的激光被用于形成光波导，一维管的宽度足以容纳一个原子。Hulet表示尽管需要努力创造这些条件，但是这位实验提供了一个很大的优势。

Hulet说：“我们可以在实验中使用磁场来调整锂原子间的排斥相互作用的强度，在研究这些集体的或相关的电子行为时，相互作用强度是一个重要的因素。强或弱的电子相互作用可以产生完全不同的效应，但由于无法直接控制电子相互作用，用电子来研究这个问题是异常困难的。有了超冷原子，我们基本上可以把相互作用强度调到任何我们想要的程度，然后观察会发生什么。”

Hulet表示，虽然之前的研究小组已经测量了纳米线和超冷原子气体中集体波的速度，但没有人测量过它是相互作用强度的函数。

他说:“随着相互作用强度的增加，电荷激发预计会移动得更快，我们已经证明了这一点。Thierry Giamarchi就这个话题写了一本书，他用TLL理论来预测电荷波在超冷原子中的行为，并且他的预测在我们的实验中得到了证实。”

具有控制交互作用的能力也为测试下一个TLL预测奠定了基础。这是电荷波和自旋波的速度随着相互作用强度的增加而发散，这意味着当电子以更大的力相互排斥时，电荷波将更快地传播并且自旋波将更慢地传播。