Uusi kvanttimalli magneettisille atomeille

Voimakkaasti vuorovaikuttavat kvanttihiukkaset ovat avainasemassa joissakin modernin fysiikan kiehtovimmissa ilmiöissä – magnetismista ja suprajohtavuudesta topologisiin tiloihin.

Tällaisten järjestelmien monimutkaisuus tekee kuitenkin monien niiden ominaisuuksien ymmärtämisen vaikeaksi vielä tänäkin päivänä.

Innsbruckin ja Torinon yliopistotutkijoiden työryhmä on nyt ehdottanut uutta teoreettista viitekehystä näiden eksoottisten aineen tilojen luomiseksi ja tutkimiseksi ultrakylmissä magneettisissa atomeissa yksiulotteisessa hilassa.

Tutkimuksen ytimessä on erityisesti suunniteltu teoreettinen malli, kvanttifysiikan vakiintunut viitekehys, jota käytetään kuvaamaan voimakkaasti vuorovaikuttavien kvanttihiukkasten, fermionien, käyttäytymistä.

Tutkijat kehittivät realistisen kokeellisen järjestelyn, joka perustuu ultrakylmiin magneettisiin lantanidiatomeihin, erityisesti erbiumiin ja dysprosiumiin, jotka on loukutettu yksiulotteiseen optiseen hilaan.

Näiden atomien poikkeuksellisen suurten magneettisten momenttien ansiosta tiimi pystyi rakentamaan järjestelmän, jossa kolmea keskeistä parametria – siitä miten hiukkaset liikkuvat hilapaikkojen välillä, miten niiden spinit vuorovaikuttavat keskenään ja kuinka voimakkaasti ne hylkivät toisiaan samassa paikassa – voidaan säätää toisistaan riippumatta.

Tämä säätötaso ylittää merkittävästi sen, mitä on ollut mahdollista saavuttaa perinteisillä atomijärjestelmillä.

Yhdistämällä analyyttisiä menetelmiä ja edistyneitä numeerisia simulaatioita tiimi kartoitti rikkaan faasidiagrammin, joka käsittää seitsemän erillistä kvanttifaasia. Näihin kuuluvat useita yksiulotteisen suprajohtavuuden muotoja, topologinen neste ja erityisesti topologinen tripletti-suprajohde. Tässä tilassa suprajohtavuus esiintyy rinnakkain topologisen järjestyksen kanssa, kvanttitilan, joka kestää ympäristön kohinaa.

”Tätä eksoottista aineen olomuotoa, jossa topologinen järjestys ja suprajohtavuus ovat syvästi kietoutuneet toisiinsa, ei ole aiemmin toteutettu kokeellisesti”, selittää tutkimuksen pääkirjoittaja Leonardo Giacomelli.

Tutkijat ovat kehittäneet yksityiskohtaisen, vaiheittaisen protokollan kaikkien ennustettujen kvanttifaasien valmistamiseksi ja havaitsemiseksi kvanttikaasumikroskopiatekniikoita käyttäen.

”Tutkimuksemme on konkreettinen askel kohti syvempää ymmärrystä voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevassa fermionisessa kvanttiaineessa syntyvistä kiehtovista aineen olomuodoista”, sanoo Francesca Ferlaino. ”Ehdotettu alusta on suoraan yhteensopiva olemassa olevien kokeellisten järjestelmien kanssa, mikä on erityisen tärkeää, kun otetaan huomioon, että topologiset suprajohteet ovat lupaavimpia ehdokkaita vikasietoiseen kvanttilaskennan käyttöön.”

Aiheeseen liittyen:

Uusi tapa hallita kvanttihiukkasia kiinteissä aineissa

Uudet hiukkaslöydöt voisivat viedä kvanttimekaniikkaa askeleen pidemmälle