Forskere rapporterer succes med komplekse kvantetilstande

Forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet har, for første gang, lykkedes at producere, styring og forståelse af komplekse kvantetilstande baseret på to elektronspins forbundet til en superleder. Resultatet er blevet offentliggjort i Naturkommunikation , og er skabt i et samarbejde mellem forskerne ved Niels Bohr Institutet, en videnskabsmand fra udlandet og sidst, men ikke mindst, en kandidatopgave studerende.

Kvanteteknologi er baseret på at forstå og kontrollere kvantetilstande i f.eks. nanoelektroniske enheder med komponenter i nanoskalaen. Styringen kan ske via elektriske signaler, som i en computers komponenter. Enhederne er bare betydeligt mere komplekse, når vi har at gøre med kvantekomponenter på nanoskala, og forskerne undersøger og forsøger stadig at forstå de fænomener, der opstår i denne lille skala. I dette tilfælde handler det om kvantetilstande i nanoelektroniske enheder fremstillet af halvleder -nanotråde og superledende materiale. Dette kræver forståelse af to grundlæggende fænomener i moderne fysik, magnetisme og superledning.

At akkumulere ny viden er som at lege med byggesten

Forskerne har defineret mikroskopiske magneter elektrisk langs en halvleder nanotråd. Dette gøres ved at placere et elektron -spin tæt på en superleder og derefter observere, hvordan det ændrer kvantetilstandene. Ved at placere to mikroskopiske magneter frem for en, som det er gjort før, mulighederne for at observere nye kvantetilstande opstår. På denne måde akkumulerer forskerne viden ved at tilføre systemerne mere og mere kompleksitet. "Det er lidt som at lege med byggeklodser. I første omgang styrer vi et enkelt elektronspin, så udvider vi til to, vi kan ændre koblingen mellem dem, justere magnetiske egenskaber osv. Lidt som at bygge et hus med hver ekstra mursten, hvilket øger vores viden om disse kvantetilstande. ", siger Kasper Grove-Rasmussen, der har stået for den eksperimentelle del af arbejdet.

Kvanteteori fra 1960 revitaliseret i nano -enheder

Det handler om at kategorisere de forskellige kvantetilstande og deres forhold til hinanden, for at opnå et overblik over, hvordan de enkelte dele interagerer. I løbet af 1960'erne, det teoretiske grundlag for dette arbejde blev udført, som tre fysikere, L. Yu, H. Shiba og A.I. Rusinov offentliggjorde tre uafhængige teoretiske værker om, hvordan magnetiske urenheder på superlederens overflade kan forårsage nye typer kvantetilstande. Staterne, nu opnået eksperimentelt af forskerne ved Niels Bohr Institute, er opkaldt efter fysikerne:Yu-Shiba-Rusinov-stater. Men de er betydeligt mere komplekse end Yu-Shiba-Rusinov-staterne med et enkelt spin tidligere opnået. Dette kunne være et skridt på vejen til mere komplekse strukturer, der ville forbedre vores forståelse af potentielle kvantecomputerkomponenter, baseret på halvleder-superleder materialer. Kasper Grove-Rasmussen understreger, at det, de laver nu, er grundforskning.

Gorm Steffensen, nu ph.d. studerende ved Niels Bohr Institute, skrev sin kandidatafhandling på tidspunktet for artiklen, og har spillet en vigtig rolle for resultatet. Han studerede teoretisk fysik og har samarbejdet med sin vejleder, Jens Paaske, på at beskrive kvantefænomenerne teoretisk. Så artiklen demonstrerer også, at samarbejde om et videnskabeligt resultat på Niels Bohr -instituttet kan omfatte eleverne. Opgaven for Gorm Steffensen var at udvikle en teoretisk model, der omfattede alle fænomenerne i eksperimenterne i samarbejde med hans vejleder og den slovenske forsker, Rok Žitko, på. Nanotråde i eksperimentet blev udviklet af ph.d. studerende i forskergruppen til professor Jesper Nygaard. Det er en fælles metode for forskere ved Niels Bohr Institutet at arbejde sammen, anvende mange forskellige kompetencer på tværs af alle videnskabelige niveauer, fra studerende til professor.