Køl hurtigt ned for at fremme kvante-nanoteknologi

Hurtigt afkølende magnon-partikler viser sig at være en overraskende effektiv måde at skabe en undvigende kvantetilstand af stof, kaldet et Bose-Einstein-kondensat. Opdagelsen kan hjælpe med at fremme kvantefysisk forskning og er et skridt i retning af det langsigtede mål med kvanteberegning ved stuetemperatur.

Et internationalt hold af videnskabsmænd har fundet en nem måde at udløse en usædvanlig tilstand af stof kaldet et Bose-Einstein-kondensat. Den nye metode, for nylig beskrevet i journalen Natur nanoteknologi , forventes at bidrage til at fremme forskning og udvikling af kvanteberegning ved stuetemperatur.

Holdet, ledet af fysikere ved Technische Universität Kaiserslautern (TUK) i Tyskland og Wien Universitet i Østrig, genererede Bose-Einstein-kondensatet (BEC) gennem en pludselig ændring i temperatur:først opvarmede kvasipartikler langsomt, derefter hurtigt afkøle dem tilbage til stuetemperatur. De demonstrerede metoden ved hjælp af kvasipartikler kaldet magnoner, som repræsenterer mængden af ​​magnetiske excitationer af et fast legeme.

"Mange forskere studerer forskellige typer Bose-Einstein-kondensat, " sagde professor Burkard Hillebrands fra TUK, en af ​​de førende forskere inden for BEC-området. "Den nye tilgang, vi udviklede, burde fungere for alle systemer."

Forvirrende og spontant

Bose-Einstein kondenserer, opkaldt efter Albert Einstein og Satyendra Nath Bose, som først foreslog, at de eksisterede, er en forvirrende type sag. De er partikler, der spontant alle opfører sig på samme måde på kvanteniveau, i det væsentlige bliver én enhed. Oprindeligt brugt til at beskrive ideelle gaspartikler, Bose-Einstein-kondensater er blevet etableret med atomer, såvel som med kvasipartikler såsom bosoner, fononer og magnoner.

At skabe Bose-Einstein-kondensater er en vanskelig forretning, fordi Per definition, de skal opstå spontant. At opstille de rigtige betingelser for at generere kondensaterne betyder ikke at forsøge at indføre nogen form for orden eller sammenhæng for at tilskynde partiklerne til at opføre sig på samme måde; det skal partiklerne selv gøre.

I øjeblikket, Bose-Einstein-kondensater dannes ved at sænke temperaturen til næsten det absolutte nulpunkt, eller ved at indsprøjte et stort antal partikler ved stuetemperatur i et lille rum. Imidlertid, stuetemperaturmetoden, som første gang blev rapporteret af Hillebrands og samarbejdspartnere i 2005, er teknisk kompleks, og kun få forskerhold rundt om i verden har det udstyr og den knowhow, der kræves.

Den nye metode er meget enklere. Det kræver en varmekilde, og en lille magnetisk nanostruktur, måler hundrede gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår.

"Vores seneste fremskridt i miniaturiseringen af ​​magnoniske strukturer til nanoskopisk skala gjorde det muligt for os at adressere BEC fra et helt andet perspektiv, " sagde professor Andrii Chumak fra universitetet i Wien.

Nanostrukturen varmes langsomt op til 200°C for at generere fononer, som igen genererer magnoner af samme temperatur. Varmekilden er slukket, og nanostrukturen afkøles hurtigt til stuetemperatur på omkring et nanosekund. Når dette sker, fononerne undslipper til underlaget, men magnonerne er for langsomme til at reagere, og forbliver inde i den magnetiske nanostruktur.

Michael Schneider, hovedopgaveforfatter og en ph.d. studerende i TUK'S Magnetism Research Group, forklaret, hvorfor dette sker:"Når fononerne undslipper, magnonerne ønsker at reducere energien for at forblive i ligevægt. Da de ikke kan reducere antallet af partikler, de skal reducere energien på en anden måde. Så, de hopper alle ned til det samme lave energiniveau."

Ved spontant alle at indtage det samme energiniveau, magnonerne danner et Bose-Einstein-kondensat.

"Vi har aldrig indført sammenhæng i systemet, " sagde Chumak, "så dette er en meget ren og klar måde at skabe Bose-Einstein-kondensater på."

Uventet resultat

Som det ofte er tilfældet i videnskaben, holdet gjorde opdagelsen helt ved et uheld. De havde sat sig for at studere et andet aspekt af nanokredsløb, da mærkelige ting begyndte at ske.

"Først troede vi, at der var noget virkelig galt med vores eksperiment eller dataanalyse, " sagde Schneider.

Efter at have diskuteret projektet med samarbejdspartnere på TUK og i USA, de justerede nogle eksperimentelle parametre for at se, om det mærkelige i virkeligheden var et Bose-Einstein-kondensat. De bekræftede dets tilstedeværelse med spektroskopiteknikker.

Fundet vil primært interessere andre fysikere, der studerer denne stoftilstand. "Men at afsløre information om magnoner og deres adfærd i en form for makroskopisk kvantetilstand ved stuetemperatur kunne have betydning for søgen efter at udvikle computere, der bruger magnoner som databærere, sagde Hillebrands.