Forskere lancerer søgen efter at udvikle kvantesensorer til at sondere kvantematerialer

Når det kommer til fuldt ud at forstå kvantematerialernes skjulte hemmeligheder, det kræver én at kende én, videnskabsmænd siger:Kun værktøjer, der også fungerer efter kvanteprincipper, kan få os derhen.

Et nyt forskningscenter for Institut for Energi vil fokusere på at udvikle disse værktøjer. Baseret på University of Illinois i Urbana-Champaign, Center for Quantum Sensing and Quantum Materials samler eksperter fra UIUC, DOE's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University og University of Illinois-Chicago.

De vil arbejde på at udvikle tre banebrydende kvanteføler:et scanning qubit-mikroskop, et spektroskopi-instrument, der udnytter par af sammenfiltrede elektroner og et andet instrument, der vil undersøge materialer med par af fotoner fra SLACs røntgenfri-elektronlaser, Linac kohærent lyskilde, som for nylig er genåbnet efter en opgradering.

Disse nye teknikker vil give forskere mulighed for at se meget mere detaljeret, hvorfor kvantematerialer gør de underlige ting, de gør, baner vejen for at opdage nye kvantematerialer og opfinde endnu mere følsomme sonder for deres adfærd.

Arbejdet vil fokusere på at forstå processerne på atomniveau bag ukonventionelle superledere, der leder elektricitet uden modstand ved relativt høje temperaturer; topologiske isolatorer, som fører strøm uden tab langs deres kanter; og mærkelige metaller, som superleder, når de er afkølet, men har mærkelige egenskaber ved højere temperaturer.

"Det spændende er, at dette center giver os en chance for at skabe nogle virkelig nye kvantemålingsteknikker til at studere energirelevante kvantematerialer, "centerdirektør Peter Abbamonte, professor i fysik ved UIUC, sagde i en pressemeddelelse.

"Vi bliver ofte fanget i den cyklus, hvor vi bruger de samme gamle målinger - ikke fordi vi ikke har brug for nye former for information eller viden, men fordi udvikling af teknikker er dyrt og tidskrævende, " sagde Abbamonte. Det nye center, han sagde, vil give videnskabsfolk mulighed for at skubbe kvantemålingernes ramme ved at tackle større problemer.

Eksotiske sammenfiltrede tilstande

Kvantematerialer får deres navn fra det faktum, at deres eksotiske egenskaber stammer fra elektroners samarbejdsadfærd og andre fænomener, der adlyder kvantemekanikkens regler, snarere end de velkendte newtonske fysiklove, der styrer vores hverdagsverden. Disse materialer kan i sidste ende få en enorm indflydelse på fremtidige energiteknologier – f.eks. ved at lade folk overføre strøm uden stort set tab over lange afstande og gøre transport meget mere energieffektiv.

Men et kvantemateriale kan indeholde en forvirrende blanding af eksotiske, overlappende stoftilstande, som er svære at ordne med konventionelle værktøjer.

"I kvanteverdenen bliver alt indviklet, så grænserne for et objekt begynder at overlappe med grænserne for et andet, " sagde SLAC professor Thomas Devereaux, en af ​​seks SLAC- og Stanford-forskere, der samarbejder i det nye center. "Vi vil undersøge denne sammenfiltring ved hjælp af forskellige værktøjer og teknikker."

Kvantesensorer er ikke noget nyt. De inkluderer superledende kvanteinterferensenheder, eller SQUID'er, opfundet for et halvt århundrede siden for at opdage ekstremt små magnetiske felter, og superledende overgangskantsensorer, som inkorporerer SQUIDS til at detektere udsøgt små signaler i astronomi, nuklear ikke-spredning, materialeanalyse og fædrelandsforsvar.

På et grundlæggende niveau, de fungerer ved at sætte sensoren i en kendt kvantetilstand og lade den interagere med objektet af interesse. Interaktionen ændrer kvantesystemets tilstand, og måling af systemets nye tilstand afslører information om objektet, som ikke kunne opnås med konventionelle tilgange.

Qubits på et tip

I en af ​​de teknologier, der er under udvikling, det scannende qubit-mikroskop, kvantesensoren ville bestå af en eller flere qubits placeret på spidsen af ​​en sonde og flyttet hen over overfladen af ​​et materiale. En qubit er en grundlæggende enhed af kvanteinformation, ligesom bits af almindelig computerhukommelse, der bladrer frem og tilbage mellem nul og 1. Men en qubit eksisterer som en superposition af både nul- og 1-tilstande på én gang. Scannerens qubit kan bestå af et enkelt brintatom, for eksempel, med spin af dens enkelte elektron samtidigt som opad, ned og alle mulige tilstande derimellem.

"Du kan prøve at sammenfiltre qubit-sensoren med kvantetilstanden af ​​det materiale, du studerer, så du faktisk kan fornemme sammenfiltringen af ​​kvantetilstande i materialet, "sagde Kathryn Moler, Stanfords viceprovost og dekan for forskning. "Hvis vi kan gøre det, det bliver rigtig fedt."