Fysikere observerer konkurrence mellem magnetiske ordrer

De er tynde som et hår, kun hundrede tusinde gange tyndere-såkaldte todimensionelle materialer, bestående af et enkelt lag atomer, har blomstret i forskning i årevis. De blev kendt for et bredere publikum, da to russisk-britiske forskere blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2010 for opdagelsen af ​​grafen, en byggesten i grafit. Det særlige ved sådanne materialer er, at de besidder nye egenskaber, der kun kan forklares ved hjælp af kvantemekanikkens love, og som kan være relevante for forbedrede teknologier. Forskere ved universitetet i Bonn (Tyskland) har nu brugt ultrakølede atomer til at få ny indsigt i tidligere ukendte kvantefænomener. De fandt ud af, at de magnetiske ordrer mellem to koblede tynde film af atomer konkurrerer med hinanden. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Kvantesystemer realiserer meget unikke tilstander af stof, der stammer fra verden af ​​nanostrukturer. De letter en lang række nye teknologiske applikationer, f.eks. bidrager til sikker datakryptering, introducere stadig mindre og hurtigere tekniske enheder og endda muliggøre udvikling af en kvantecomputer. I fremtiden, sådan en computer kunne løse problemer, som konventionelle computere slet ikke kan løse eller kun over en lang periode.

Hvordan usædvanlige kvantefænomener opstår, er stadig langt fra fuldt ud forstået. For at belyse dette, et team af fysikere ledet af prof. Michael Köhl ved Matter and Light for Quantum Computing Cluster of Excellence ved University of Bonn bruger såkaldte kvantesimulatorer, som efterligner interaktionen mellem flere kvantepartikler - noget der ikke kan gøres med konventionelle metoder. Selv state-of-the-art computermodeller kan ikke beregne komplekse processer som magnetisme og elektricitet ned til mindste detalje.

Ultrakolde atomer simulerer faste stoffer

Simulatoren, der bruges af forskerne, består af ultrakølede atomer - ultrakoldt, fordi deres temperatur kun er en milliontedel grad over det absolutte nul. Atomer afkøles ved hjælp af lasere og magnetfelter. Atomer er placeret i optiske gitter, dvs. stående bølger dannet af overlejring af laserstråler. Denne måde, atomerne simulerer elektroners adfærd i fast tilstand. Den eksperimentelle opsætning giver forskerne mulighed for at udføre en lang række eksperimenter uden eksterne ændringer.

Inden for kvantesimulatoren, forskerne har, for første gang, det lykkedes at måle de magnetiske korrelationer mellem nøjagtigt to koblede lag af et krystalgitter. "Via styrken af ​​denne kobling, vi var i stand til at rotere den retning, hvori magnetisme dannes i 90 grader - uden at ændre materialet på nogen anden måde, "første forfattere Nicola Wurz og Marcell Gall, doktorander i Michael Köhls forskergruppe, forklare.

For at undersøge fordelingen af ​​atomer i det optiske gitter, fysikerne brugte et mikroskop med høj opløsning, som de var i stand til at måle magnetiske korrelationer mellem de enkelte gitterlag. På denne måde, de undersøgte den magnetiske orden, dvs. den indbyrdes tilpasning af de atommagnetiske øjeblikke i den simulerede faste tilstand. De observerede, at den magnetiske rækkefølge mellem lag konkurrerede med den oprindelige orden inden for et enkelt lag, konkluderede, at de stærkere lag var koblet, de stærkere korrelationer, der dannes mellem lagene. På samme tid, korrelationer inden for individuelle lag blev reduceret.

De nye resultater gør det muligt bedre at forstå magnetismen, der formerer sig i de koblede lagsystemer på mikroskopisk niveau. I fremtiden, fundene er at hjælpe med at forudsige materielle egenskaber og opnå nye funktionaliteter af faste stoffer, blandt andet. Siden, for eksempel, høj temperatur superledning er tæt forbundet med magnetiske koblinger, de nye fund kunne i det lange løb, bidrage til udviklingen af ​​nye teknologier baseret på sådanne superledere.

The Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence

The Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence er et forskningssamarbejde fra universiteterne i Köln, Aachen og Bonn, samt Forschungszentrum Jülich. Det finansieres som en del af Excellence Strategy for de tyske forbunds- og statsregeringer. Formålet med ML4Q er at udvikle nye computing- og netværksarkitekturer ved hjælp af kvantemekanikkens principper. ML4Q bygger på og udvider den supplerende ekspertise inden for de tre centrale forskningsområder:solid-state fysik, kvanteoptik, og kvanteinformationsvidenskab.

Cluster of Excellence er indlejret i det tværfaglige forskningsområde "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions" ved University of Bonn. I seks forskellige TRA'er, forskere fra en lang række fakulteter og discipliner kommer sammen om at arbejde med fremtidige relevante forskningstemaer.