Physiker beobachten endlich einen exotischen Aggregatzustand, der erstmals 1973 vorhergesagt wurde

Ein Forscherteam hat einen noch nie dagewesenen Aggregatzustand namens Quanten-Spin-Flüssigkeit beobachtet, indem es mit einem Quantensimulator mit den Spins auf unterkühlten Rubidiumatomen gespielt hat. Die Entdeckung hat Auswirkungen auf die Funktionsweise von Quantencomputern und vielleicht eines Tages auf die Umgebungen, in denen Materialien supraleitend sein können.

Es gibt viele Zustände (auch Phasen genannt) der Materie , die über die traditionellen Festkörper, Flüssigkeiten und Gase aus Chemie 101 hinaus zu entdecken sind. Der Zustand von etwas bezieht sich auf seine Struktur auf atomarer Ebene und seine Eigenschaften – zum Beispiel wie starr es ist Molekülstrukturen sind oder wie seine Elektronen um den Atomkern angeordnet sind.

Die Existenz eines bestimmten Aggregatzustands, der als Quantenspinflüssigkeit bezeichnet wird, wurde 1973 vom verstorbenen Philip W. Anderson vorhergesagt und seitdem untersucht. Aber die Erforschung des Staates war mit Vorbehalten beladen: „ aufkommende “, „ nahe “ und „ Kandidaten “-Quantenspinflüssigkeiten gab es im Überfluss. Das jüngste Team eine Gruppe von Wissenschaftlern der Harvard University, MIT und der Universität Innsbruck in Österreich-sagen , dass sie eine Instanz von der realen Sache gefunden hat und hat veröffentlicht ihre Beobachtungen in der Zeitschrift Science.

„Als PW Anderson zum ersten Mal die Idee dieser Spin-Flüssigkeitszustände vorschlug, suchte er genau nach einem möglichen mikroskopischen Modell, um Hochtemperatur-Supraleiter zu erklären“, sagte Giulia Semeghini, Hauptautorin des Artikels und Quantenphysikerin in Harvard, gegenüber Gizmodo in einem Email. Während der Zusammenhang zwischen Quantenspinflüssigkeiten und warmen Supraleitern unklar bleibt , wurde nun ein solches mikroskopisches Modell entwickelt.

Um den Zustand der Materie zu bestimmen, verwendete das Team einen sogenannten Quantensimulator, um die Physik, die in Festkörpern abläuft, bis auf die atomare Ebene nachzuahmen. Der Simulator verwendet geometrische Formen, um die Orientierung von 219 Rubidiumatomen in einem Gitter darzustellen, das das Team dann nach Belieben manipulieren konnte. (Die Maschine wird Quantensimulator genannt, weil sie kein Quantencomputer ist, sondern ein System von Quantenbits, das eingerichtet wurde, um ein bestimmtes Problem zu untersuchen.)

„Es ist ein ganz besonderer Moment in dem Gebiet“ , sagte Mikhail Lukin, Physiker an der Harvard University und Co-Autor des Papiers, in einer Universität Pressemitteilung . „Sie können diesen exotischen Zustand wirklich berühren, anstoßen und anstoßen und ihn manipulieren, um seine Eigenschaften zu verstehen … Es ist ein neuer Aggregatzustand, den die Menschen noch nie zuvor beobachtet haben.“

Der Quantenzustand ist nicht flüssig, wie Sie vielleicht denken; Die Atome, die das Team untersuchte, schwappten nicht per se herum. Vielmehr waren die Elektronenspins des Rubidiums verwaschen und nie übereinstimmend.

Ständig widersprüchliche und sich ändernde Elektronenspins machen Metalle in einem flüssigen Quantenspin-Zustand im Sprachgebrauch der Wissenschaftler „frustriert“, da sie ihre Neigung nicht ausrichten können. Quantenspinflüssigkeiten gehören zu den am stärksten verschränkten Quantenzuständen, und je stärker ein System verschränkt ist, desto robuster ist es – was bedeutet, dass der Quantencomputer weniger wahrscheinlich aus der Superposition fällt.

„Tatsächlich scheint der konstruierte Zustand Schlüsseleigenschaften der Quantenverschränkung in einer QSL zu demonstrieren, was bemerkenswert ist!!!“ schrieb Robert McQueeney, Physiker an der Iowa State University und am Ames Laboratory, in einer E-Mail. „Die möglichen zukünftigen Arbeiten, die unweigerlich folgen werden, sind noch spannender, da der Kaltatom-Ansatz hochgradig anpassungsfähig und abstimmbar ist.“

Wenn es kalt genug wird, werden kondensierte Materie (Feststoffe) ziemlich ordentlich. Diese Reihenfolge macht supraleitende Systeme so nützlich für präzise wissenschaftliche Experimente, von der Verfolgung der Kollisionen supermassereicher Schwarzer Löcher bis hin zum Zwingen von Elektronen in Hochleistungs-Laserstrahlen , um die kleinsten Strukturen, die wir kennen, zu untersuchen. Aber wenn die Elektronen der Rubidium-Atome auf knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden, verwarfen sie diese Ordnung, indem sie selbst bei so niedrigen Temperaturen in einem Zustand konstanten Flusses existierten: Sie wurden zu einer Quantenspin-Flüssigkeit.

Computerbits sind per Definition binär, was bedeutet, dass sie entweder ein- oder ausgeschaltet sind (1 oder 0, in binärer Sprache). Quantencomputer verwenden stattdessen Qubits, die auf dem Prinzip der Überlagerung beruhen, d. h. sie können gleichzeitig als an- und ausgeschaltet behandelt werden, sodass der Computer eine Vielzahl von Lösungen gleichzeitig verfolgen kann.

„Das große Versprechen von Quanten-Spin-Flüssigkeiten besteht darin, dass sie dazu verwendet werden können, robuste Qubits für Quantencomputer zu realisieren“, sagte Semeghini. „Die typische Art, ein Qubit zu codieren, ist in der Tat ziemlich anfällig für externes Rauschen und Störungen. Das Codieren von Quanteninformationen in einem topologischen Qubit unter Verwendung verschiedener topologischer Zustände einer Quantenspinflüssigkeit führt zu einem Qubit, das intrinsisch rauschresistent ist.“

Wenn die erste und zuverlässigste Richtung dieser Forschung darin besteht, robustere Qubits und damit effizientere Quantencomputer herzustellen, ist der Heilige Gral wären Raumtemperatur-Supraleiter. Anderson, der sich Quanten-Spin-Flüssigkeiten ausgedacht hat, wollte darauf hinarbeiten, und sie sind ein Ziel der Physik (und der Energieindustrie), seit die Macht der Supraleitung erkannt wurde. Unter anderem würde das Entfernen von Widerständen aus Stromkreisen bei Raumtemperatur das Stromnetz, wie wir es kennen, revolutionieren, da keine Energie durch Wärme verloren geht. Es würde auch dort Fortschritte bedeuten, wo derzeit supraleitende Magnete notwendig sind: in der Medizintechnik wie MRT-Geräten, Teilchenbeschleunigern und in superschnellen Schwebezügen. Doch bis zur Verwirklichung dieses Traums ist es noch ein langer Weg.

Zur Frage, ob Quanten-Spin-Flüssigkeiten helfen können, die Supraleitung bei Raumtemperatur anzugehen, sagte Semeghini: „Unser Experiment beantwortet diese Frage nicht direkt, aber es ist möglich, dass die weitere Erforschung dieser Arten von exotischen Phasen dazu beitragen könnte, den Ursprung von Hoch- Temperatur-Supraleitung.“

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