Forskere overhører to atomer chatte

Hvordan materialer opfører sig afhænger af interaktionerne mellem utallige atomer. Du kunne se dette som en kæmpe gruppechat, hvor atomer løbende udveksler kvanteinformation. Forskere fra Delft University of Technology i samarbejde med RWTH Aachen University og Research Center Jülich har nu været i stand til at opsnappe en chat mellem to atomer. De præsenterer deres resultater i Videnskab den 28. maj.

atomer, selvfølgelig, ikke rigtig snakke. Men de kan reagere på hinanden. Dette er især tilfældet for magnetiske atomer. "Hvert atom bærer et lille magnetisk moment kaldet spin. Disse spin påvirker hinanden, ligesom kompasnåle gør, når du bringer dem tæt sammen. Hvis du giver en af ​​dem et skub, de vil begynde at flytte sammen på en meget specifik måde, " forklarer Sander Otte, leder af det team, der udførte undersøgelsen. "Men ifølge kvantemekanikkens love, hvert spin kan pege i forskellige retninger samtidigt, danner en superposition. Det betyder, at den faktiske overførsel af kvanteinformation finder sted mellem atomerne, som en slags samtale."

Skarp nål

I stor skala, denne form for udveksling af information mellem atomer kan føre til fascinerende fænomener. Et klassisk eksempel er superledning:den effekt, hvor nogle materialer mister al elektrisk resistivitet under en kritisk temperatur. Selvom det er godt forstået for de enkleste tilfælde, ingen ved præcis, hvordan denne effekt opstår i mange komplekse materialer. Men det er sikkert, at magnetiske kvanteinteraktioner spiller en nøglerolle. Med det formål at forsøge at forklare fænomener som dette, videnskabsmænd er meget interesserede i at kunne opsnappe disse udvekslinger; at overhøre samtalerne mellem atomer.

I Ottes team går de om dette ret direkte:de sætter bogstaveligt talt to atomer ved siden af ​​hinanden for at se, hvad der sker. Dette er muligt i kraft af et scanning tunnelmikroskop:en enhed, hvor en skarp nål kan sondere atomer en efter en og endda kan omarrangere dem. Forskerne brugte denne enhed til at placere to titaniumatomer i en afstand på lidt over en nanometer - en milliontedel af en millimeter - fra hinanden. På den afstand, atomerne er netop i stand til at detektere hinandens spin. Hvis du nu ville dreje et af de to spins, samtalen ville starte af sig selv.

Som regel, denne drejning udføres ved at sende meget præcise radiosignaler til atomerne. Denne såkaldte spinresonansteknik – som minder ret meget om arbejdsprincippet for en MR-scanner fundet på hospitaler – bruges med succes i forskning i kvantebits. Dette værktøj er også tilgængeligt for Delft-teamet, men det har en ulempe. "Det går simpelthen for langsomt, siger ph.d.-studerende Lukas Veldman, hovedforfatter på Videnskab offentliggørelse. "Du er knap begyndt at vride det ene spin, før det andet begynder at rotere sammen. På denne måde kan du aldrig undersøge, hvad der sker, når de to spins placeres i modsatte retninger."

Uortodoks tilgang

Så forskerne prøvede noget uortodoks:de vendte hurtigt omdrejningen af ​​et af de to atomer med et pludseligt udbrud af elektrisk strøm. Til deres overraskelse, denne drastiske tilgang resulterede i en smuk kvanteinteraktion, præcis efter bogen. Under pulsen, elektroner kolliderer med atomet, får dens spin til at rotere. Otte:"Men vi har altid antaget, at under denne proces, den delikate kvanteinformation – den såkaldte sammenhæng – gik tabt. Trods alt, elektronerne er usammenhængende:historien om hver elektron før kollisionen er lidt anderledes, og dette kaos overføres til atomets spin, ødelægger enhver sammenhæng."

Det faktum, at dette nu ikke ser ud til at være sandt, var anledning til en vis debat. Tilsyneladende, hver tilfældig elektron, uanset dens fortid, kan igangsætte en sammenhængende superposition:en specifik kombination af elementære kvantetilstande, som er fuldt kendte, og som danner grundlag for næsten enhver form for kvanteteknologi.

Perfekt superposition

"Kruxet er, at det afhænger af det spørgsmål, du stiller, " argumenterer Markus Ternes, medforfatter fra RWTH Aachen University og Research Center Jülich. "Elektronen inverterer spin af et atom, hvilket får det til at pege, sige, til venstre. Du kan se dette som en måling, sletter al kvantehukommelse. Men set fra det kombinerede system, der omfatter begge atomer, den resulterende situation er slet ikke så banal. For de to atomer tilsammen, den nye stat udgør en perfekt superposition, muliggør udveksling af oplysninger mellem dem. Det afgørende for, at dette kan ske, er, at begge spin bliver viklet ind:en ejendommelig kvantetilstand, hvor de deler mere information om hinanden, end det er klassisk muligt."

Opdagelsen kan have betydning for forskning i kvantebit. Måske også i den forskning kunne du slippe afsted med at være lidt mindre forsigtig, når du initialiserer kvantetilstande. Men for Otte og hans team er det mest udgangspunktet for endnu smukkere eksperimenter. Veldman:"her brugte vi to atomer, men hvad sker der, når du bruger tre? Eller ti, eller tusind? Det kan ingen forudsige, da computerkraften kommer til kort for sådanne tal. Måske vil vi en dag være i stand til at lytte til kvantesamtaler, som ingen nogensinde kunne høre før."