Kvanttispinneste ja raskaita fermioneja

Harvardin yliopiston johtama fyysikkoryhmä kertoo, että he ovat vihdoin dokumentoineet kokeellisesti kauan tavoitellun kvanttispinnesteen tilan.

"Tämä on hyvin erityinen hetki alalla", sanoo fysiikan professori Mikhail Lukin. "Voit todella koskettaa, työntää ja sohaista tätä eksoottista tilaa ja manipuloida sitä ymmärtääksesi sen ominaisuuksia. Se on aineen uusi tila, jota ihmiset eivät ole koskaan aiemmin voineet havaita.”

Kvanttispinnesteiden eksoottiset ominaisuudet voivat olla avainasemassa luotaessa vankempia kvanttibittejä – eli topologisia kubitteja – joiden odotetaan kestävän kohinaa ja ulkoisia häiriöitä. "Se on unelma kvanttilaskennassa", sanoo tutkijatohtori Giulia Semeghini.

Tutkijat tarkkailivat tätä nestemäisen aineen tilaa käyttämällä laboratorion 219 atomin kvanttisimulaattoria. Sen ideana on pystyä toistamaan samaa mikroskooppista fysiikkaa kuin kondensoituneiden aineiden järjestelmissä, erityisesti järjestelmän ohjelmoitavuuden sallimalla vapaudella.

Perinteisissä magneeteissa elektronien spinit osoittavat ylös tai alas josstutkijatain säännöllisessä kuviossa. Kvanttispinnesteissä esiintyy kolmas spin, joka muuttaa kuvion niin, että syntyy "turhautunut" magneetti, jossa elektronien spinit eivät voi stabiloitua yksittäiseen suuntaan.

Kvanttisimulaattoria käyttäen tutkijat loivat oman turhautuneen hilakuvion, johon sijoitettiin atomit vuorovaikuttamaan ja lomittumaan. Koko rakenteen lomittumisen jälkeen he pystyivät mittaamaan ja analysoimaan atomeja yhdistäviä ketjuja ja niistä ilmenneet tapahtumat osoittivat kvanttispinnesteen syntyneen.

"Osoitamme ensimmäiset askeleet topologisen kubitin luomisessa, mutta meidän on vielä osoitettava, kuinka voit todella koodata sen ja manipuloida sitä", Semeghini visioi.

Myös Aalto-yliopiston tutkijoiden alkuperäinen tavoite äskettäin julkaistussa tutkimuksessa oli luoda kvanttispinneste, jonka avulla voisi tutkia uudenlaisia kvantti-ilmiöitä.

Mutta sen sijaan saavutukseksi saatiin ensimmäisinä maailmassa yhdistää kaksi äärimmäisen ohutta tantaalidisulfidikerrosta niin, että elektronit käyttäytyivät syntyneessä kvanttitilassa tavalla, joka on aikaisemmin vaatinut harvinaisia maametallien yhdisteitä.

Harvinaisissa maametallien yhdisteissä voi saada aikaan kvanttitietokoneissa kaivattua topologista suprajohtavuutta. Niiden käyttöä rajoittavat kuitenkin muun muassa radioaktiiviset yhdisteet kuten uraani ja plutonium.

Harvinaisten maametallien yhdisteisiin perustuvia suprajohtavia materiaaleja kutsutaan raskaiksi fermionimateriaaleiksi, koska niillä vaikuttaa olevan paljon enemmän massaa kuin niillä todellisuudessa on.

Kun tutkijat tarkastelivat kahden tantaalidisulfidikerroksen saarekkeita, havaittiin kerrosten välissä raskaiden fermionien ilmiö. Jo aiemmin Aallon ja Paul Scherrer -instituutin tutkijat ovat osoittaneet kolmen kierretyn grafeenikerroksen luovan vastaavan raskaiden fermoinien tilan.

Aiheesta aiemmin:

Magneettinen monopoli havaittu

Majoranan metsästystä