Sammenfiltring av mange atomer oppdaget for første gang

Det være seg magneter eller superledere, materialer er kjent for sine ulike egenskaper. Imidlertid kan disse egenskapene endres spontant under ekstreme forhold. Forskere ved Technische Universität Dresden (TUD) og Technische Universität München (TUM) har oppdaget en helt ny type av disse faseovergangene. De viser fenomenet kvantesammenfiltring som involverer mange atomer, som tidligere bare har blitt observert i riket til noen få atomer. Resultatene ble nylig publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Natur.

Ny pels til kvantekatten

I fysikk er Schroedingers katt en allegori for to av de mest fryktinngytende effektene av kvantemekanikk: sammenfiltring og superposisjon. Forskere fra Dresden og München har nå observert denne atferden i en mye større skala enn den til de minste partikler. Inntil nå har materialer som viser egenskaper, som magnetisme, vært kjent for å ha såkalte domener – øyer der materialegenskapene er homogent enten av en eller en annen type (tenk deg at de er enten svarte eller hvite, for eksempel).

Ser på litium holmium fluoride (LiHoF₄), har fysikerne nå oppdaget en helt ny faseovergang, hvor domenene overraskende viser kvantemekaniske egenskaper, noe som resulterer i at egenskapene deres blir sammenfiltret (som er svarte og hvite på samme tid). “Kvantekatten vår har nå en ny pels fordi vi har oppdaget en ny kvantefaseovergang i LiHoF₄ som ikke tidligere har vært kjent for å eksistere,” sier Matthias Vojta, styreleder for teoretisk faststofffysikk ved TUD.

Faseoverganger og sammenfiltring

Vi kan lett observere de spontant endrede egenskapene til et stoff hvis vi ser på vann – ved 100 grader Celsius fordamper det til en gass, ved null grader Celsius fryser det til is. I begge tilfeller dannes disse nye materietilstandene som en konsekvens av en faseovergang der vannmolekylene omorganiserer seg, og dermed endrer materiens egenskaper. Egenskaper som magnetisme eller superledning dukker opp som et resultat av at elektroner gjennomgår faseoverganger i krystaller. For faseoverganger ved temperaturer som nærmer seg absolutt null ved -273,15 grader Celsius, spiller kvantemekaniske effekter som sammenfiltring og kvantefaseoverganger inn.

“Selv om det er mer enn 30 år med omfattende forskning dedikert til faseoverganger i kvantematerialer, hadde vi tidligere antatt at fenomenet sammenfiltring bare spilte en rolle i mikroskopisk skala, der det bare involverer noen få atomer om gangen.” forklarer Christian Pfleiderer, professor i topologi av korrelerte systemer ved TUM.

Kvantesammenfiltring er en tilstand der de sammenfiltrede kvantepartiklene eksisterer i en delt superposisjonstilstand som gjør at vanligvis gjensidig utelukkende egenskaper (f.eks. svart og hvitt) kan forekomme samtidig. Som regel gjelder kvantemekanikkens lover kun for mikroskopiske partikler. Forskerteamene fra München og Dresden har nå lykkes med å observere effekter av kvanteforviklinger på en mye større skala, den av tusenvis av atomer. Til dette har de valgt å jobbe med den velkjente forbindelsen LiHoF₄.

Sfæriske prøver muliggjør presisjonsmålinger

Ved svært lave temperaturer, LiHoF₄ fungerer som en ferromagnet der alle magnetiske momenter spontant peker i samme retning. Hvis du så påfører et magnetfelt nøyaktig vertikalt til den foretrukne magnetiske retningen, vil de magnetiske momentene endre retning, som er kjent som fluktuasjoner. Jo høyere magnetfeltstyrken er, desto sterkere blir disse fluktuasjonene, helt til ferromagnetismen til slutt forsvinner fullstendig ved en kvantefaseovergang. Dette fører til sammenfiltring av tilstøtende magnetiske momenter. “Hvis du holder opp en LiHoF₄ prøve til en veldig sterk magnet, slutter den plutselig å være spontant magnetisk. Dette har vært kjent i 25 år, sier Vojta.

Det som er nytt er hva som skjer når du endrer retningen på magnetfeltet. “Vi oppdaget at kvantefaseovergangen fortsetter å skje, mens det tidligere hadde vært antatt at selv den minste tilt av magnetfeltet umiddelbart ville undertrykke det,” forklarer Pfleiderer. Under disse forholdene er det imidlertid ikke individuelle magnetiske momenter, men heller omfattende magnetiske områder, såkalte ferromagnetiske domener, som gjennomgår disse kvantefaseovergangene. Domenene utgjør hele øyer av magnetiske øyeblikk peker i samme retning.

“Vi har brukt sfæriske prøver for våre presisjonsmålinger. Det var det som gjorde oss i stand til nøyaktig å studere atferden ved små endringer i retningen av magnetfelt,” legger Andreas Wendl til, som utførte forsøkene som en del av sin doktoravhandling.

Fra grunnleggende fysikk til applikasjoner

“Vi har oppdaget en helt ny type kvantefaseoverganger der sammenfiltring finner sted på skalaen til mange tusen atomer i stedet for bare i mikrokosmos til bare noen få,” forklarer Vojta. “Hvis du forestiller deg de magnetiske domenene som et svart-hvitt mønster, fører den nye faseovergangen til at enten de hvite eller de svarte områdene blir uendelig små, dvs. skaper et kvantemønster, før de løses helt opp.” En nyutviklet teoretisk modell forklarer vellykket dataene som er hentet fra eksperimentene.

“For vår analyse generaliserte vi eksisterende mikroskopiske modeller og tok også i betraktning tilbakemeldingen fra de store ferromagnetiske domenene til de mikroskopiske egenskapene,” sier Heike Eisenlohr, som utførte beregningene som en del av sin doktorgrad. avhandling.

Oppdagelsen av det nye kvantumet fase overganger er viktig som fundament og generell referanseramme for forskning på kvantefenomener i materialer, samt for nye anvendelser. “Kvante sammenfiltring brukes og brukes i teknologier som kvantesensorer og kvantedatamaskiner, blant annet,” sier Vojta. Pfleiderer legger til, “Vårt arbeid er innen grunnforskning, som imidlertid kan ha en direkte innvirkning på utviklingen av praktiske applikasjoner , hvis du bruker materialenes egenskaper på en kontrollert måte.”

---

---