Kvanttimaailman eläintarha

On olemassa näennäisesti loputon määrä kvanttitiloja, jotka kuvaavat kvanttiainetta ja outoja ilmiöitä, joita syntyy, kun suuri määrä elektroneja keskenään vuorovaikutuksessa.

Vuosikymmenten ajan monet näistä tiloista ovat olleet teoreettisia: matemaattisia ja laskennallisia ennusteita, jotka mahdollisesti piileskelevät tosielämän materiaalien joukossa – eläintarhassa, kuten monet tiedemiehet sitä alkavat kutsua, jossa uudet "lajit" vain odottavat löytämistään ja kuvaamistaan.

Nature lehdessä huhtikuussa julkaistussa tutkimuksessa Columbian yliopiston tutkijat lisäsivät kasvavaan kvanttieläintarhaan yli tusinan verran uusia tiloja.

”Joitakin näistä tiloista ei ole koskaan ennen nähty”, sanoi tutkimuksen pääkirjoittaja Xiaoyang Zhu, nanotieteiden Howard Family -professori Columbian yliopistossa. ”Emmekä odottaneet näkevämme niin montaakaan.”

Näiden joukossa on tiloja, joita voitaisiin käyttää luomaan se, mikä tunnetaan tällä hetkellä teoriassa topologisena kvanttitietokoneena.

Topologisilla kvanttitietokoneilla on ainutlaatuisia kvanttiominaisuuksia, joiden pitäisi tehdä niistä vähemmän alttiita virheille, jotka haittaavat tällä hetkellä suprajohtavista materiaaleista rakennettuja kvanttitietokoneita. Magneetit kuitenkin häiritsevät suprajohtavia materiaaleja, joita on tähän asti käytetty yrityksissä luoda topologisia tiloja, joita tarvitaan tähän (vielä toteutumattomaan) seuraavan sukupolven kvanttitietokoneisiin.

Zhun eläintarha ratkaisee tämän ongelman: Hänen ja hänen tiiminsä erittäin herkällä optisella tekniikalla löytämät tilat voidaan luoda ilman ulkoista magneettia kierretyn molybdeeniditelluridi-nimisen materiaalin erityisominaisuuksien ansiosta.

Kvanttihistorian salista

Zhu ja hänen tiiminsä löytämien uusien tilojen taustalla oleva ilmiö saattaa liittyä Hall-ilmiöön. Vuonna 1879 löydetty klassinen Hall-ilmiö kuvaa, kuinka metallinauhan läpi virtaavat elektronit kasaantuvat sen reunaa pitkin, kun ne altistetaan magneettikentälle; mitä voimakkaampi magneetti, sitä suurempi on jännite-ero metallin yli.

Kun elektronit altistetaan magneettikentälle erittäin kylmissä lämpötiloissa ja vain kahdessa ulottuvuudessa, missä kvanttimekaniikan vaikutukset ovat helpoimmin havaittavissa, jännitteen muutos ei ole enää verrannollinen magneettikenttään; lineaarisen kasvun sijaan se "kvantisoituu" ja hyppää askelin, joka liittyy elektronin – pienimmän tunnetun varauksen omaavan hiukkasen – varaukseen.

Nuo kvanttivaiheet voidaan jakaa vielä pienempiin vaiheisiin, jolloin muodostuu tiloja, joiden varaukset ovat elektronin varausten murto-osia: -½, -⅔, -⅓ ja niin edelleen; tästä havainnosta Columbian yliopiston emeritusprofessori Horst Stormer sai Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1998.

Tämä "murtolukuinen kvantti-Hall-ilmiö" on kvanttimekaniikan epälooginen ominaisuus, Stormer selitti Nobel-luennossaan: "Se tarkoittaa, että monet elektronit voivat yhdessä toimien luoda uusia hiukkasia, joiden varaus on pienempi kuin minkään yksittäisen elektronin varaus. Näin ei ole tarkoitus olla... Ja silti tiedämme varmasti, ettei yksikään näistä elektroneista ole hajonnut palasiksi."

Tutkijat ovat etsineet osittaiskvantti-Hall-ilmiötä vuosikymmeniä, ja se on ilmennyt useissa eri materiaaleissa. Merkittävä edistysaskel tapahtui vuonna 2023 kun löydettiin anomaalinen – eli magneetiton – osittaiskvantti-Hall-ilmiö molybdeeniditelluridin kerroksista, jotka oli kierretty muodostamaan moiré-kuvio.

Salaisuus piileekin moiré-ilmiössä

Kun molybdeeniditelluridin kerroksia kierretään, niistä tulee topologisia. Tämä tarkoittaa, että niiden elektronit ovat tietyissä järjestyksissä, jotka kannustavat niitä yhdistymään suuremmaksi kokonaisuudeksi, joka voi puolestaan ja vastoin intuitiota hajota murtolukuisiksi kvantti-Hall-varauksiksi. Kiertyminen tuottaa myös sisäisen magneettikentän, mikä poistaa ulkoisen magneetin tarpeen.

Viime kesänä Yiping Wang, Max-Planck NYC Centerin postdoc-tutkija Columbian yliopistossa ja nykyisen Naturen artikkelin pääkirjoittaja, sai näytteen Xun laboratoriosta. Zhu oli matkalla, kun hän päätti tehdä näytteellä kokeita pump-probe-spektroskopiatekniikalla, jonka oli kehittänyt artikkelin toinen kirjoittaja ja Simons-tutkija Eric Arsenault.

Hänen näyttönsä valaisi piikkejä, jotka vastasivat kymmeniä murtolukuvarauksia – mukaan lukien murtolukuja, joiden on teoreettisesti ennustettu olevan topologisen kvanttitietokoneen rakentamiseen tarvittavia komponentteja: niin sanottuja ei-abelilaisia anyoneja.

Heidän pumppaus-luotainmenetelmässään yksi laserpulssi "sulattaa" materiaalin kvanttitilat ja toinen pulssi havaitsee dielektrisen vakion muutoksen, joka mittaa sähköisten vuorovaikutusten voimakkuutta, tilojen uudelleen ilmestyessä.

Arsenaultin menetelmä käyttää erittäin nopeaa laseria, joka kykenee erottamaan hienovaraisia eroja niin monilla osittaisilla energiatasoilla. "Tämä löytö myös vahvistaa pumppaus-luotainspektroskopian olevan tähän mennessä herkin tekniikka aineen kvanttitilojen havaitsemisessa", Zhu sanoi.

Sen lisäksi, että se löytää tilat niiden alimmassa eli perusenergiassa, se tallentaa myös yksityiskohtia niiden muuttuessa. ”Tuntuu kuin olisimme astuneet uuteen ulottuvuuteen, aikaan, tutkiaksemme korrelaatiota ja topologiaa perustilassa”, Wang sanoi. ”Ne vain yllättävät meidät jatkuvasti, varsinkin kun ajamme ne pois tasapainosta.”

Nyt on aika selvittää tarkalleen, mitä kaikki nämä uudet tilat ovat ja mihin ne voisivat olla hyödyllisimpiä. ”Niitä on yksinkertaisesti niin paljon. Toivomme, että nämä tulokset ja tekniikkamme inspiroivat muita tutkimaan aihetta”, Zhu sanoi.

Toukokouu 2025