萊斯大學的物理學家 馬修福斯特 和賽斯戴維斯想從一個全新的角度來看待一個令人頭疼的量子謎題。他們只需要合適的有利位置和比深空更冷的地方。

福斯特研究小組的研究生戴維斯說：“在強烈相互作用的物理過程中，有一個基本粒子，如電子，可以聚集在一起，表現(xiàn)得好像它們只是電子的一部分 。” “它被稱為分數(shù)化。這是一個非常奇特的，基本的過程，在許多地方理論上出現(xiàn)。它可能與高溫超導性有關，它可能對構建量子計算機很有用。但這很難理解，甚至難以衡量。“

在 最近的一篇論文 中物理評論快報，福斯特和戴維斯，無論是理論物理學家提出了一個實驗來測量不是在電子，但在分數(shù)化 原子那么冷 ，他們遵循的是決定電子的行為在量子材料，越來越多的類的同一個量子規(guī)則具有異國電子和物理特性的材料， 政府 和 工業(yè)界 正在為下一代計算機和電子設備而努力。

量子材料 包括 高溫超導體，物理學中最令人費解的謎團之一，以及表現(xiàn)出拓撲階段的材料，這些材料 使其成為2016年諾貝爾物理學獎的發(fā)現(xiàn)者 。后者是物理學家在一種稱為分數(shù)量子霍爾效應的奇異電子狀態(tài)中明確測量分數(shù)的唯一地方 。在這種狀態(tài)下，扁平的二維材料僅沿其一維邊緣導電。

“這是一個二維的例子，”賴斯物理和天文學助理教授福斯特說。“很明顯，分數(shù)化正在那里發(fā)生，因為如果你測量這些邊緣狀態(tài)的電導，它們就像是由粒子組成，就像電子的三分之一一樣。

“沒有真正的粒子攜帶三分之一的電荷，”他說。“這只是所有電子以這樣的方式一起移動的效果，即如果你產(chǎn)生局部激發(fā)，它就會像電子一樣充電三分之一。”

福斯特和戴維斯說，描述他們的超冷原子測試的主要動機是能夠觀察到與分數(shù)量子霍爾實例非常不同的系統(tǒng)中的分數(shù)。

“我們的目標只是以一種明確的方式在另一個環(huán)境中看到這種物理學，”賴斯量子材料中心(RCQM)成員福斯特說。

他們提出的實驗要求激光冷卻原子作為電子的替身。在這樣的實驗中，激光反對原子的運動，逐漸使它們減慢到更冷和更冷的溫度。冷原子被其他激光器捕獲，這些激光器形成光波導，一維通道，原子可以向左或向右移動，但不能相互纏繞。這些一維導向器中原子的量子行為模擬了1D導線中電子的行為。

“實驗的所有個別元素都已經(jīng)開發(fā)出來，但我們并不相信它們已經(jīng)被整合在一個實驗裝置中，”福斯特說。“這就是我們需要激光冷卻專家的實驗家?guī)椭牡胤健?rdquo;

為了觀察超冷系統(tǒng)中的分級，F(xiàn)oster和Davis建議創(chuàng)建一組平行的1D波導，它們都在同一個二維平面上。一些額外的原子將填充實驗中心附近的一維導軌。

“所以我們先從1D'導線'或導軌開始，然后在中間開始初始密度，然后我們將放下一些激光器，讓原子在一種2D網(wǎng)格中的導線之間相互作用， “福斯特說。“我們可以非常準確地描述一維系統(tǒng)，其中強相互作用導致原子以相關的方式運行。因為整個系統(tǒng)是量子力學和相干的，所以這些相關性應該印在2D系統(tǒng)上。

他說：“我們的探測器正在釋放出額外的密度，并觀察它的作用。” “如果一維導軌中的原子沒有相互作用，則凸起將在導線之間展開。但是，如果由于導線中的相關效應而存在初始分數(shù)，我們可以自信地計算出密度將完全不同。它將走向另一個方向，沿著電線飛行。“

福斯特說，他有興趣與超冷原子實驗家討論測試的可行性。

“我們知道，為這些實驗建立和完善一些實驗裝置可能需要數(shù)年時間，”福斯特說。“作為理論家，我們知道我們需要的成分，但我們不知道那些最難實施的成分，或者是否可能更容易修改某些設置而不是其他設置。這就是我們需要實驗同事幫助的地方。“