Neutroner sonderer ultrakoldt kondensat for at få indsigt i kvantestof

Bose-Einstein-kondensater er makroskopiske kvantefaser af stof, som kun optræder under meget særlige forhold. At lære mere om disse faser af stof kan hjælpe forskere med at udvikle en bedre forståelse af grundlæggende kvanteadfærd og muligvis bidrage til fremtidig kvanteteknologi.

Det er derfor, Kate Ross og Ph.D. kandidat Gavin Hester, forskere fra Colorado State University, er på Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) for at undersøge et materiale kaldet ytterbiumsilikat. Ross tror på ytterbiumsilikat, det eneste magnetiske materiale baseret på et sjældent jordarters element, der viser tegn på et Bose-Einstein-kondensat, kan indeholde nøglen til at forstå kvantefænomener i andre magneter baseret på sjældne jordarters elementer. Ved at sondere prøver af ytterbiumsilikat med neutroner, Ross håber at generere et detaljeret kort over dette unikke Bose-Einstein-kondensat og derefter bruge dette kort til at validere sin hypotese ved at identificere eksotiske kvantetilstande i andre magnetiske materialer. Ross og hendes samarbejdspartnere diskuterer deres resultater i deres papir offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Hvis vi kan få en bedre forståelse af Bose-Einstein-kondensatet, vi ser i dette materiale, så kunne vi potentielt bruge den viden til at opdage lignende mange-legeme kvantetilstande i andre magnetiske materialer baseret på sjældne jordarters grundstoffer, " sagde Ross.

Ross forklarer, at Bose-Einstein kondensat, også kendt som en BEC-fase, er en kvantevæske, hvori partikler holder op med at opføre sig som individuelle enheder og i stedet opfører sig som bølger, der bevæger sig synkront med hinanden på tværs af stoffet af en enkelt, samlet system. Det er ulig noget solidt, væske, gas, eller plasma og vises kun ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, eller 0 K (ca. -460°F). Forskere har stadig meget at lære om denne unikke tilstand af stof, men der er håb om, at dets unikke egenskaber en dag kan bidrage til avancerede materialer.

"Der er ingen direkte sammenhæng mellem Bose-Einstein-kondensater og nuværende forslag til kvanteteknologi. Men vi har også meget at lære om, hvordan dette materiale opfører sig, og besvarelse af nogle af disse grundlæggende spørgsmål om kvantefænomener vil være grundlaget for fremtidig videnskabelig præstation, sagde Hester.

Til at begynde med, det har længe været antaget, at Bose-Einstein-kondensater ikke kan forekomme i magnetiske materialer baseret på sjældne jordarters grundstoffer, fordi disse særlige magnetiske vekselvirkninger ikke syntes at være isotrope nok til, at en BEC-fase kunne opstå. Men, efter at have observeret tegn på en BEC -fase i ytterbiumsilikat under tidligere forsøg, Ross og hendes team formoder, at denne antagelse kan være falsk.

"Vi blev virkelig overraskede, da vi så beviserne for en BEC-fase. Det tyder på, at ytterbium er en meget mere alsidig ingrediens til at danne mange-legemes kvantetilstande, end vi tidligere troede, " sagde Ross.

For bedre at forstå ytterbiumsilikatets evne til at være vært for en BEC -fase, Ross brugte Cold Neutron Chopper Spectrometer-instrumentet, eller CNCS, ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) og Fixed-Incident Energy Triple-Axis Spectrometer, eller FIE-TAX, ved High Flux Isotope Reactor (HFIR) for at sondere krystalliserede prøver af ytterbiumsilicat. Komplementære røntgen- og neutronspredningsmålinger blev udført på Argonne National Laboratory og National Institute of Standards and Technology.

Disse eksperimenter har været undervejs i næsten 4 år. Ross' forskningsgruppe begyndte først at dyrke prøver af ytterbiumsilikat og kortlægge dette materiales adfærd tilbage i 2015. Sammen med deres samarbejdspartnere, de brugte forskellige sonder på Colorado State University og Sherbrooke University i Canada for at få et første kig på materialets adfærd, men de var ivrige efter at bruge neutronspredning til at sondere deres prøver.

"Neutroner trænger dybt ind, og når de passerer gennem vores prøver, oprører de disse nye kvantepartikler på en sådan måde, at vi nøjagtigt kan måle præcis, hvordan disse partikler opfører sig i ytterbiumsilikatets mikrostruktur, sagde Hester.

For at forberede deres prøver til neutronspredning, Ross og hendes samarbejdspartnere var nødt til at skære og justere hver enkelt krystal, så hver enkelt krystal var orienteret i samme retning. Desuden, Ross måtte både udsætte sine ytterbiumsilikatprøver for et magnetfelt og bruge et specielt kølekammer til at bringe dem ned til en kølig -459,28°F, som er koldere end det interstellare rum og meget tæt på det absolutte nulpunkt.

"At sætte dette eksperiment sammen tog meget arbejde, men de data, vi fik, var bestemt indsatsen værd, " sagde Ross.

Ross og Hester håber, at deres arbejde ikke kun vil kaste lys over, hvordan ytterbiumsilikats BEC-fase er unik, men også give forskere en bedre forståelse af kvantefænomener generelt, som de forekommer i andre magnetiske materialer baseret på sjældne jordarter.

"Vi er bestemt interesserede i at lære mere om denne BEC -fase i ytterbiumsilikat specifikt, men vi håber, at det, vi lærer her, også vil hjælpe vores kolleger med at opdage flere kvantetilstande i sjældne jordbaserede materialer. Denne grundlæggende forståelse er afgørende for at danne de materielle platforme for fremtidige kvanteteknologier, "sagde Ross.