Forskere opretter en nanotrampolin til at undersøge kvanteadfærd

En forskergruppe fra Bar-Ilan University, i samarbejde med franske kolleger på CNRS Grenoble, har udviklet et unikt eksperiment til at detektere kvantehændelser i ultratynde film. Denne nye forskning, offentliggøres i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation , forbedrer forståelsen af ​​grundlæggende fænomener, der forekommer i systemer i nanostørrelse tæt på absolut nultemperatur.

Overgange, Faser og kritiske punkter

En faseovergang er en generel betegnelse for fysiske fænomener, hvor et system overgår fra en tilstand til en anden som følge af ændring af temperaturen. Daglige eksempler er overgangen fra is til vand (fast til flydende) ved nul grader celsius, og fra vand til damp (væske til gas) ved 100 grader.

Den temperatur, ved hvilken overgangen finder sted, kaldes det kritiske punkt. Nær dette punkt forekommer interessante fysiske fænomener. For eksempel, når vandet opvarmes, små gasområder begynder at danne sig, og vandet bobler. Når væskens temperatur stiger mod det kritiske punkt, vokser gasboblernes størrelse. Da boblens størrelse bliver sammenlignelig med lysets bølgelængde, lyset er spredt og får den normalt gennemsigtige væske til at fremstå "mælkeagtig" - et fænomen kendt som kritisk opalescens.

I de senere år har det videnskabelige samfund vist stigende interesse for kvantefaseovergange, hvor et system transiterer mellem to tilstande ved absolut nul temperatur (-273 grader) som et resultat af manipulation af en fysisk parameter, såsom magnetfelt, tryk eller kemisk sammensætning i stedet for temperatur. I disse overgange sker ændringen ikke på grund af den termiske energi, der tilføres systemet ved opvarmning, men derimod af kvantesvingninger. Selvom absolut nul ikke er fysisk opnåeligt, egenskaberne ved overgangen kan detekteres i systemets meget lave temperaturadfærd nær det kvantekritiske punkt. Sådanne karakteristika indbefatter "kvantebobler" i den ene fase i den anden. Størrelsen og levetiden for disse kvantebobler øges, når systemet er indstillet mod det kritiske punkt, giver anledning til en kvanteækvivalent af kritisk opalescens.

Den teoretiske forudsigelse af en sådan kvantekritikalitet blev givet for et par årtier siden, men hvordan man måler dette eksperimentelt er forblevet et mysterium. Aviad Frydman fra Bar-Ilan Universitys Institut for Fysik og Institut for Nanoteknologi og Avancerede Materialer, og hans elev Shachar Poran, sammen med Dr. Olivier Bourgeois fra CNRS Grenoble, har for første gang givet svaret.

Oprettelse af en nano-trampolin

Ved normale faseovergange er der en unik målbar mængde, der bruges til at detektere et kritisk punkt. Dette er den specifikke varme, der måler mængden af ​​varmeenergi, der skal tilføres et system for at hæve dets temperatur med en grad. Forøgelse af temperaturen i et system med to grader kræver dobbelt så meget energi, som er nødvendig for at øge det med en grad. Imidlertid, tæt på en faseovergang er dette ikke længere tilfældet. Meget af energien investeres i at skabe boblerne (eller udsving) og derfor, der skal investeres mere energi for at generere en lignende temperaturændring. Som resultat, den specifikke varme stiger nær det kritiske punkt, og dens måling giver information om udsvingene.

Måling af specifik varme i et system tæt på et kvantekritisk punkt udgør en meget større udfordring. For det første, målingerne skal udføres ved lave temperaturer. For det andet, de undersøgte systemer er nanotynde lag, som kræver ekstremt følsomme målinger. Frydmans gruppe overvandt disse forhindringer ved at udvikle et unikt eksperimentelt design baseret på en tynd membran suspenderet i luften af ​​meget smalle broer, og derved danne en "nano-trampolin". Denne opsætning muliggjorde specifikke varmemålinger af de tynde film gennem en kvantefaseovergang fra en superledende tilstand til en elektrisk isolerende tilstand tæt på absolut nultemperatur.

Målingen udført af Frydmans gruppe er den første af sin art. Resultaterne viser, at ligesom i tilfælde af en termisk faseovergang, den specifikke varme stiger på samme måde i nærheden af ​​et kvantekritisk punkt, og kan bruges som en sonde for kvantekritikalitet. Dette arbejde forventes at være en milepæl i forståelsen af ​​fysiske processer, der styrer adfærden for ultratynde systemer ved ultralave temperaturer.

Professor Frydman præsenterer denne forskning på en række internationale konferencer i de kommende uger. Forskningen blev støttet af Laboratoire d'Excellence LANEF i Grenoble (ANR-10-LABX-51-01) til professor Frydman.