Den tilsyneladende indre ro i kvantematerialer

Forskere fra University of Geneva (UNIGE) og multiinstitutionelle samarbejdspartnere har studeret BACOVO-et endimensionelt kvantemateriale. De rapporterer, at materialet udviser en ny topologisk faseovergang styret af to typer topologisk excitation. Ud over, de var i stand til at vælge, hvilken af ​​de to typer der ville dominere den anden. Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Naturfysik .

Forskerne trak på arbejdet fra 2016 nobelprisvindere for fysik, David Thouless, Duncan Haldane og Michael Kosterlitz. De tre fysikere forudsagde, at et sæt topologiske excitationer i et kvantemateriale sandsynligvis vil fremkalde en faseovergang. Talrige teorier er blevet udviklet om disse topologiske excitationer, herunder muligheden for at kombinere to af dem i et enkelt materiale. Men er det en reel mulighed? Og hvis ja, hvad ville der ske? Holdene fra UNIGE og CEA, CNRS og UGA var i stand til at levere den første eksperimentelle bekræftelse af teorien, der forudsagde eksistensen af ​​to samtidige sæt topologiske excitationer og konkurrencen mellem dem. Resultaterne udgør en lille revolution i den mystiske verden af ​​kvanteegenskaber.

Forskerne fra CEA, CNRS, og Université Grenoble Alpes arbejdede på et endimensionalt antiferromagnetisk materiale med særlige egenskaber:BACOVO (BaCo ₂ V ₂ O ₈ ). "Vi udførte forskellige forsøg på BACOVO, et oxid kendetegnet ved dets spiralformede struktur, "skrev forskerne. Men de eksperimentelle resultater viste en forvirrende faseovergang - derfor opfordrede teamet Thierry Giamarchi, en professor ved Institut for Quantum Matter Physics i UNIGEs naturvidenskabelige fakultet.

Giamarchi siger, "Baseret på deres resultater, vi etablerede teoretiske rammer, der er i stand til at fortolke dem. Disse teoretiske modeller blev derefter testet igen ved hjælp af nye eksperimenter, så de kunne valideres. "

Målet var at forstå, hvordan BACOVOs kvanteegenskaber virker, især deres topologiske ophidselser. Quentin Faure, Ph.d. -studerende ved Institute for Nanoscience and Cryogenics (CEA/UGA) og Néel Institute, siger, "Til dette formål, vi brugte neutronspredning, hvilket betyder, at vi sendte en neutronstråle ind på materialet. Neutronerne opfører sig som små magneter, der interagerer med dem fra BACOVO, ifølge en strategi karakteriseret som 'forstyrr for at afsløre, "hjælper os med at forstå deres egenskaber." Når modellen udviklet på UNIGE matcher eksperimentet, det bliver materialets standardmodel. Professor Giamarchi siger, "Den model, vi etablerede med Shintaro Takayoshi, forudsagde præcist det resultat, der blev set i forsøget."

Men dette eksperiment førte også til en opdagelse, som forskerne ikke havde regnet med. "Efter at have afgjort standardmodellen for BACOVO, vi observerede uventede egenskaber, "siger Shintaro Takayoshi, forsker ved Institut for Quantum Matter Physics i UNIGEs naturvidenskabelige fakultet. Når det placeres i et magnetfelt, BACOVO udvikler et andet sæt topologiske excitationer, der konkurrerer med det første, bekræftende teorier fra 1970'erne og 1980'erne organiseret omkring feltet åbnet op af Nobel -forskernes arbejde. "Udover at bevise eksistensen af ​​denne konfrontation mellem to sæt topologiske excitationer inden for det samme materiale - en hidtil uset begivenhed - var vi i stand til eksperimentelt at kontrollere, hvilket sæt der ville dominere det andet, "tilføjer Takayoshi.

Det, der oprindeligt var en teoretisk hypotese, blev et verificeret eksperiment. Den grundige analyse af BACOVO foretaget af fysikerne viste, at to sæt topologiske excitationer kommer i direkte konfrontation i det samme materiale og styrer materiens tilstand, som adskiller sig efter det dominerende sæt, giver en kvantefaseovergang. Desuden, det lykkedes forskerne at kontrollere, hvilket sæt der hersker, hvilket betyder, at de kunne justere BACOVO's stofstilstand efter behag. "Disse resultater åbner op for en lang række muligheder med hensyn til kvantefysisk forskning, "afslutter professor Giamarchi." Det er rigtigt, at vi stadig er på det grundlæggende niveau, men det er gennem denne form for opdagelse, at vi hver dag kommer tættere på applikationer til materialers kvanteegenskaber - og hvorfor ikke kvantecomputere? "