Физики из Китая и США смогли независимо измерить свойства зарядовых и спиновых волн в одномерной ферми-жидкости, состоящей из атомов лития-6, запертых в оптических ловушках. Они смогли подтвердить спин-зарядовое (спин-плотностное в случае нейтральных атомов) разделение, предсказанное теорией более полувека назад.

Исследование опубликовано в Science.

Львиную долю интереса в физике конденсированного состояния представляет изучение разнообразных элементарных возбуждений. Это могут быть волны атомных колебаний (фононы), спиновые волны (магноны), возбуждения электронных вакансий (дырок) и так далее. В строгом смысле даже элементарное возбуждение в твердом теле — это процесс, в котором принимает участие множество тел, а потому их невозможно описать из первых принципов.

Вместо этого крайне плодотворным оказался подход, основанный на квазичастицах — эмерджентных объектах, описываемых таким образом, чтобы учесть все нюансы возбуждений в твердых или жидких телах. Подробнее о квазичастицах рассказывали в материале «Зоопарк квазичастиц».

Квазичастицами становятся даже фотоны в стекле (они превращаются в поляритоны) и электроны в кристаллах (электрон проводимости). Точно такой же подход применяется и к описанию ферми-жидкостей (холодных электронов, гелия-3): в этом случае фермионы заменяются квазичастицами, которые включают в себя взаимодействия с соседями. Новые квазичастицы остаются фермионами.

Последнее нарушается, когда все частицы в жидкости могут распространяться только вдоль одного из направлений. Теория Томонаги — Латтинжера (иногда просто Латтинжера) предсказывает, что в одномерных квантовых жидкостях (жидкостях Латтинжера) характер низкоэнергетических элементарных возбуждений меняется, и они становятся бозонами. Другим интересным следствием теории стала возможность того, что волны плотности частиц (в случае одномерной электронной жидкости речь идет о волнах зарядовой плотности, поэтому этот термин закрепился даже для нейтральных фермионов) и волны спиновых переворотов имеют различные скорости, и потому способны расщепиться.

Подробная проверка теории Латтинжера стала возможной благодаря прогрессу в области охлаждения и пленения атомов в оптических ловушках. Ультрахолодные атомы играют роль частиц квантовой жидкости, а их статистика определяется суммарным спином всего атома, следовательно, она меняется от изотопа к изотопу. Например, Бин Ян с коллегами использовали атомы рубидия-87, чтобы получить бозонную жидкость Латтинжера. А физики из США и Швейцарии под руководством Рэндалла Хьюлета (Randy Hulet) из Университета Райса охладили газ атомов лития-6, которые обладают фермионной статистикой. Несмотря на подробное исследование зарядовых волн, которое подтвердило теорию Латтинжера, ученые не смогли увидеть их движение отдельно от волн спина.

На этот раз та же группа физиков вместе со своими коллегами из Китая убедилась, что спиновые и зарядовые возбуждения действительно распространяются отдельно в одномерной квантовой жидкости.