Uusi turkki kvanttikissalle

Dresdenin Technische Universität (TUD) ja Technische Universität Münchenin (TUM) tutkijat ovat löytäneet täysin uudentyyppisiä faasisiirtymän, jossa materiaalien alueet käyttäytyvät kvanttimekaanisella tavalla.

Fysiikassa Schroedingerin kissa on allegoria kahdelle kvanttimekaniikan vaikutukselle: lomittumiselle ja superpositiolle. Tutkijat ovat havainneet näitä käyttäytymisiä nyt paljon suuremmassa mittakaavassa kuin aivan pienimpien hiukkasten parissa.

Tähän asti materiaaleilla, joilla on ominaisuuksia, kuten magnetismia, on tiedetty olevan niin sanottuja alueita - saaria, joissa materiaalien ominaisuudet ovat homogeenisesti joko yhtä tai erilaista.

Tarkasteltaessa litiumholmiumfluoridia (LiHoF4), fyysikot ovat nyt havainneet täysin uuden faasisiirtymän, jossa näissä saarissa on yllättävän paljon kvanttimekaanisia piirteitä, minkä seurauksena niiden ominaisuudet lomittuvat.

"Kvanttikissallamme on nyt uusi turkki, koska olemme havainneet LiHoF4:stä uuden kvanttifaasisiirtymän, jota ei ole aiemmin tiedetty olevan olemassa", sanoo Matthias Vojta, TUD:n teoreettisen kiinteän olomuodon fysiikan osaston johtaja.

"Vaikka kvanttimateriaalien faasisiirtymille on tehty tutkimusta yli 30 vuotta, olimme aiemmin olettaneet, että lomittumisilmiöllä oli merkitystä vain mikroskooppisessa mittakaavassa, jossa se koskee vain muutamaa atomia kerrallaan." selittää Christian Pfleiderer, korreloitujen järjestelmien topologian professori TUM:sta.

Uusien kvanttifaasimuutosten löytäminen on tärkeä perustana ja yleisenä viitekehyksenä materiaalien kvantti-ilmiöiden tutkimukselle sekä uusille sovelluksille. "Kvanttilomittumista sovelletaan ja käytetään muun muassa kvanttianturien ja kvanttitietokoneiden kaltaisissa teknologioissa", Vojta sanoo.

Max Planck -instituutin ja Sveitsiläisen EPFL:n tutkijoiden on puolestaan onnistunut yhdistämään yksittäisiä vapaita elektroneja ja fotoneja elektronimikroskoopissa.

"Elektronin ja fotonin parilla meidän tarvitsee mitata vain yksi hiukkanen saadaksemme informaatiota toisen hiukkasen energiasisällöstä ja ajallisesta ulkonäöstä", sanoo tohtori Germaine Arend.

Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden käyttää yhtä kvanttihiukkasta kokeissa ja samalla varmistaa sen läsnäolon havaitsemalla toinen hiukkanen, ominaisuus joka on välttämätön monille kvanttiteknologian sovelluksille.

Menetelmä avaa kiehtovia uusia mahdollisuuksia elektronimikroskopiassa mutta EPFL:n Tobias Kippenberg lisää: "Ensimmäistä kertaa tuomme vapaita elektroneja kvantti-informaation työkalupakkiin. Laajemmin vapaiden elektronien ja valon kytkeminen integroidun fotoniikan avulla ja voisi avata tien uudelle hybridille kvanttiteknologialle."

Aiheesta aiemmin:

Lentäviä optisia kissoja kvanttiviestintään

Kvanttitietotekniikkaa kesäkaudelta