Kvantesimulering af kvantekrystaller

De kvanteegenskaber, der ligger til grund for krystaldannelse, kan replikeres og undersøges ved hjælp af ultrakolde atomer. Et hold ledet af Dr. Axel U. J. Lode fra University of Freiburg's Institute of Physics har nu beskrevet i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve hvordan brugen af ​​dipolære atomer muliggør selv realisering og præcis måling af strukturer, der endnu ikke er blevet observeret i noget materiale. Den teoretiske undersøgelse var et samarbejde mellem forskere fra universitetet i Freiburg, universitetet i Wien og det tekniske universitet i Wien i Østrig, og Indian Institute of Technology i Kanpur, Indien.

Krystaller er allestedsnærværende i naturen. De er dannet af mange forskellige materialer - fra mineralsalte til tungmetaller som bismuth. Deres strukturer opstår, fordi en bestemt regelmæssig rækkefølge af atomer eller molekyler er gunstig, fordi det kræver den mindste mængde energi. En terning med en bestanddel på hvert af sine otte hjørner, for eksempel, er en krystalstruktur, der er meget almindelig i naturen. En krystals struktur bestemmer mange af dens fysiske egenskaber, såsom hvor godt den leder en strøm eller varme, eller hvordan den revner og opfører sig, når den er oplyst af lys. Men hvad bestemmer disse krystalstrukturer? De opstår som en konsekvens af kvanteegenskaberne af og interaktionerne mellem deres bestanddele, hvilken, imidlertid, er ofte videnskabeligt svære at forstå og også svære at måle.

For ikke desto mindre at komme til bunds i kvanteegenskaberne ved dannelsen af ​​krystalstrukturer, Forskere kan simulere processen ved hjælp af Bose-Einstein-kondensater - indfangede ultrakolde atomer, der køles ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt eller minus 273,15 grader Celsius. Atomerne i disse meget kunstige og meget skrøbelige systemer er ekstremt godt under kontrol.

Med omhyggelig justering, de ultrakolde atomer opfører sig nøjagtigt, som om de var de bestanddele, der danner en krystal. Selvom at bygge og køre en sådan kvantesimulator er en mere krævende opgave end blot at dyrke en krystal fra et bestemt materiale, metoden giver to hovedfordele:For det første, videnskabsmænd kan justere egenskaberne for kvantesimulatoren næsten efter behag, hvilket ikke er muligt for konventionelle krystaller. Sekund, standardudlæsningen af ​​kold-atom kvantesimulatorer er billeder, der indeholder information om alle krystalpartikler. For en konventionel krystal, derimod kun det ydre er synligt, mens det indre - og især dets kvanteegenskaber - er svært at observere.

Forskerne fra Freiburg, Wien, og Kanpur beskriver i deres undersøgelse, at en kvantesimulator til krystaldannelse er meget mere fleksibel, når den er bygget ved hjælp af ultrakolde dipolære kvantepartikler. Dipolære kvantepartikler gør det muligt at realisere og undersøge ikke kun konventionelle krystalstrukturer, men også arrangementer, der hidtil ikke var set for noget materiale. Undersøgelsen forklarer, hvordan disse krystalordener opstår fra en spændende konkurrence mellem kinetiske, potentiel, og interaktionsenergi og hvordan strukturerne og egenskaberne af de resulterende krystaller kan måles i hidtil usete detaljer.