Ny pels til kvantekatten:Sammenfiltring af mange atomer opdaget for første gang

Hvad enten det er magneter eller superledere, er materialer kendt for deres forskellige egenskaber. Disse egenskaber kan dog ændre sig spontant under ekstreme forhold. Forskere ved Technische Universität Dresden (TUD) og Technische Universität München (TUM) har opdaget en helt ny type af disse faseovergange. De viser fænomenet kvantesammenfiltring, der involverer mange atomer, som tidligere kun er blevet observeret i et par atomers rige. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature .

Ny pels til kvantekatten

I fysik er Schroedingers kat en allegori for to af kvantemekanikkens mest ærefrygtindgydende effekter:sammenfiltring og superposition. Forskere fra Dresden og München har nu observeret denne adfærd i meget større skala end de mindste partiklers. Indtil nu har materialer, der udviser egenskaber, som magnetisme, været kendt for at have såkaldte domæner - øer, hvor materialeegenskaberne er homogent enten af ​​en eller en anden art (forestil dig, at de er enten sorte eller hvide, for eksempel).

Ser på lithium holmium fluorid (LiHoF₄ ), har fysikerne nu opdaget en helt ny faseovergang, hvor domænerne overraskende udviser kvantemekaniske træk, hvilket resulterer i, at deres egenskaber bliver viklet ind (der er sorte og hvide på samme tid). "Vores kvantekat har nu fået en ny pels, fordi vi har opdaget en ny kvantefaseovergang i LiHoF₄ som ikke tidligere har været kendt for at eksistere," siger Matthias Vojta, formand for teoretisk faststoffysik ved TUD.

Faseovergange og sammenfiltring

Vi kan nemt observere et stofs spontant skiftende egenskaber, hvis vi ser på vand - ved 100 grader Celsius fordamper det til en gas, ved nul grader Celsius fryser det til is. I begge tilfælde dannes disse nye stoftilstande som en konsekvens af en faseovergang, hvor vandmolekylerne omarrangerer sig og dermed ændrer stoffets karakteristika. Egenskaber som magnetisme eller superledning opstår som et resultat af elektroner, der gennemgår faseovergange i krystaller. For faseovergange ved temperaturer, der nærmer sig det absolutte nulpunkt ved -273,15 grader Celsius, kommer kvantemekaniske effekter såsom sammenfiltring og kvantefaseovergange i spil.

"Selvom der er mere end 30 års omfattende forskning dedikeret til faseovergange i kvantematerialer, havde vi tidligere antaget, at fænomenet sammenfiltring kun spillede en rolle i mikroskopisk skala, hvor det kun involverer nogle få atomer ad gangen." forklarer Christian Pfleiderer, professor i topologi af korrelerede systemer ved TUM.

Kvantesammenfiltring er en tilstand, hvor de sammenfiltrede kvantepartikler eksisterer i en delt superpositionstilstand, der tillader sædvanligvis gensidigt eksklusive egenskaber (f.eks. sort og hvid) at forekomme samtidigt. Kvantemekanikkens love gælder som regel kun for mikroskopiske partikler. Det er nu lykkedes forskerholdene fra München og Dresden at observere virkningerne af kvantesammenfiltring i en meget større skala, den fra tusindvis af atomer. Til dette har de valgt at arbejde med den velkendte forbindelse LiHoF₄ .

Sfæriske prøver muliggør præcisionsmålinger

Ved meget lave temperaturer, LiHoF₄ fungerer som en ferromagnet, hvor alle magnetiske momenter spontant peger i samme retning. Hvis man så påfører et magnetfelt nøjagtigt lodret til den foretrukne magnetiske retning, vil de magnetiske momenter ændre retning, hvilket er kendt som fluktuationer. Jo højere magnetfeltstyrken er, jo stærkere bliver disse fluktuationer, indtil ferromagnetismen til sidst forsvinder fuldstændigt ved en kvantefaseovergang. Dette fører til sammenfiltring af tilstødende magnetiske momenter. "Hvis du holder en LiHoF₄ op prøve til en meget stærk magnet, holder den pludselig op med at være spontant magnetisk. Det har været kendt i 25 år," siger Vojta.

Det nye er, hvad der sker, når man ændrer retningen af ​​magnetfeltet. "Vi opdagede, at kvantefaseovergangen fortsætter med at forekomme, hvorimod man tidligere havde troet, at selv den mindste hældning af magnetfeltet straks ville undertrykke det," forklarer Pfleiderer. Under disse forhold er det dog ikke individuelle magnetiske momenter, men derimod omfattende magnetiske områder, såkaldte ferromagnetiske domæner, der gennemgår disse kvantefaseovergange. Domænerne udgør hele øer af magnetiske momenter, der peger i samme retning.

"Vi har brugt sfæriske prøver til vores præcisionsmålinger. Det var det, der gjorde os i stand til præcist at studere adfærden ved små ændringer i magnetfeltets retning," tilføjer Andreas Wendl, der udførte eksperimenterne som en del af sin doktorafhandling.

Fra grundlæggende fysik til applikationer

"Vi har opdaget en helt ny type kvantefaseovergange, hvor sammenfiltring finder sted på skalaen af ​​mange tusinde atomer i stedet for blot i mikrokosmos af kun få," forklarer Vojta. "Hvis du forestiller dig de magnetiske domæner som et sort-hvidt mønster, fører den nye faseovergang til, at enten de hvide eller de sorte områder bliver uendeligt små, dvs. skaber et kvantemønster, før de opløses fuldstændigt." En nyudviklet teoretisk model forklarer med succes de data, der er opnået fra eksperimenterne.

"Til vores analyse generaliserede vi eksisterende mikroskopiske modeller og tog også højde for feedback fra de store ferromagnetiske domæner til de mikroskopiske egenskaber," siger Heike Eisenlohr, der udførte beregningerne som en del af sin ph.d. afhandling.

Opdagelsen af ​​de nye kvantefaseovergange er vigtig som fundament og generel referenceramme for forskningen i kvantefænomener i materialer, såvel som for nye anvendelser. "Kvantesammenfiltring anvendes og bruges blandt andet i teknologier som kvantesensorer og kvantecomputere," siger Vojta. Pfleiderer tilføjer:"Vores arbejde er inden for grundforskning, som dog kan have en direkte indflydelse på udviklingen af ​​praktiske anvendelser, hvis man bruger materialernes egenskaber på en kontrolleret måde." + Udforsk yderligere

Hastighedsgrænser for kvantefænomener er blevet udvidet til objekter i makrostørrelse