Spontaanin magnonkoherenssin osoittaminen huoneenlämmössä

RPTU-yliopiston Kaiserslautern-Landaun tutkijat ovat ensimmäisinä havainneet suoraan magnonien spontaanin makroskooppisen koherenssin – magneettisten materiaalien kvantisoidut viritykset.

Nämä kokeet vahvistavat magnonien Bose-Einstein-kondensaattien teorian keskeisen ennusteen. Lopulta nämä löydökset voisivat avata uusia mahdollisuuksia signaalinkäsittelyyn, anturiteknologioihin ja tiedonkäsittelyyn.

Aineen kolme klassista olomuotoa: kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen, ovat arkipäiväisiä ilmiöitä. On kuitenkin olemassa muitakin olomuotoja, kuten plasma ja Bose-Einstein-kondensaatti (BEC). BEC:ssä suuri määrä kvanttihiukkasia ei enää käyttäydy itsenäisesti, vaan ne muodostavat yhdessä yhden makroskooppisen kvanttitilan.

BEC-yhdisteitä havaittiin alun perin ultrakylmissä atomikaasuissa lähellä absoluuttista nollapistettä. Kaksikymmentä vuotta sitten tutkijat kuitenkin osoittivat, että vastaava faasimuutos voi tapahtua myös magneettisissa kiinteissä aineissa – ja erityisesti huoneenlämmössä.

Vaikka magnon-BEC-yhdisteiden olemassaolo on tiedetty jo vuosia, suoraa kokeellista näyttöä niiden makroskooppisen faasin spontaanista syntymisestä ja sen riippumattomuudesta ulkoisista herätesignaaleista on jäänyt saavuttamatta.

”Kokeemme tarjoavat ensimmäisen suoran todisteen siitä, että magnoneilla on Bose-Einstein-kondensaatin määrittelevä ominaisuus”, sanoo professori Georg von Freymann.

Perustavanlaatuisesta näkökulmasta tulokset edustavat tärkeää askelta kohti tiiviin aineen systeemien kollektiivisten kvanttitilojen syvempää ymmärtämistä. Samalla magnon-BEC:t voivat lopulta mahdollistaa uusia teknologisia toimintoja.

Erityisen kiehtovaa on se, että huoneenlämmössä magnonkondensaatit osoittavat suprajohtavuutta muistuttavia ilmiöitä. Magnon-Bose-Einstein-kondensaateissa sitä vastoin voi syntyä niin sanottuja spin-supravirtoja eli spin kulkee ilman häviötä.

Tämä voisi tasoittaa tietä täysin uusille laitekonsepteille analogiseen signaalinkäsittelyyn. Mahdollisia sovelluksia ovat erittäin herkät sähkö- ja magneettikenttien ilmaisimet sekä piiriarkkitehtuurit, jotka perustuvat fysikaalisiin periaatteisiin, jotka ovat samanlaisia kuin Josephson-liitokset suprajohtavissa järjestelmissä. Nykyään Josephson-liitokset muodostavat perustan lukuisille tarkkuusteknologioille ja ovat suprajohtavien kvanttitietokoneiden keskeinen rakenneosa.

Aiheesta aiemmin:

Magnonien viritystä suoraan valolla

Fononilaser