Fyzici pozorují konkurenci mezi magnetickými řády

Systém: krystalová mříž ze světla zachycuje atomy v několika dvojitých vrstvách. Tomografické obrázky ukazují hustotu (rotace) v řezu. Poskytují informace o magnetickém pořadí atomů. Obrázek vpravo ukazuje hustotu vrstvy, zprůměrovanou na dvanáct realizací (oranžovo-červená). Fotografické kredity: © Marcell Gall, Nicola Wurz a kol. / Natur

Přírodní historie: Výzkumný tým z univerzity v Bonnu získává poznatky o nových kvantových jevech.

Jsou tenké na vlasy, jen stotisíckrát tenčí – takzvané dvourozměrné materiály, které se skládají z jediné atomové vrstvy, vzkvétaly ve výzkumu po celá léta. Do povědomí širšího publika se dostali, když dva rusko-britští vědci obdrželi v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku za objev Graf, stavební blok z grafitu. Zvláštností těchto materiálů je, že mají nové vlastnosti, které lze vysvětlit pouze pomocí zákonů kvantové mechaniky a mohou být relevantní pro vylepšené technologie. Vědci z univerzity v Bonnu nyní pomocí ultra studených atomů získali nový pohled na dříve neznámé kvantové jevy. Zjistili, že magnetické řády mezi dvěma vázanými tenkými vrstvami atomů si navzájem konkurují. Studie byla publikována v časopise Nature.

Kvantové systémy realizují velmi jedinečné stavy hmoty, které pocházejí ze světa nanostruktur. Umožňují řadu nových technologických aplikací, např. Přispívají například k zabezpečenému šifrování dat, zavádějí stále menší a rychlejší technická zařízení a dokonce umožňují vývoj kvantového počítače. V budoucnu by takový počítač mohl vyřešit problémy, které běžné počítače nedokážou vyřešit vůbec, nebo je mohou vyřešit pouze po dlouhou dobu.

Jak neobvyklé kvantové jevy vznikají, není v žádném případě plně pochopeno. Aby to osvětlilo, používá tým fyziků vedený profesorem Michaelem Köhlem z Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computers na univerzitě v Bonnu takzvané kvantové simulátory, které napodobují interakci několika kvantových částic – něco, co konvenční metody nedokáží. Dokonce ani nejmodernější počítačové modely nemohou velmi podrobně vypočítat složité procesy, jako je magnetismus a elektřina.

Extrémně chladné atomy simulují pevné látky

Simulátor používaný vědci se skládá z ultra studených atomů – ultra studených, protože jejich teplota je jen o miliontinu vyšší Absolutní nula. Atomy jsou chlazeny lasery a magnetickými poli. Atomy jsou umístěny v optických mřížkách, tj. Stojatých vlnách, které jsou tvořeny superpozicí laserových paprsků. Tímto způsobem atomy simulují chování elektronů v pevném stavu. Experimentální uspořádání umožňuje vědcům provádět velké množství experimentů bez vnějších úprav.

V rámci kvantového simulátoru se vědcům podařilo poprvé měřit magnetické korelace přesně dvou spojených vrstev krystalové mřížky. „Síla této vazby nám umožnila otočit směr, ve kterém je magnetismus formován o 90 stupňů – aniž by došlo k jiné změně materiálu,“ vysvětlují první autoři Nicola Wurz a Marcell Gall, doktorandi ve výzkumné skupině Michaela Köhla.

Ke studiu distribuce atomů v optické mřížce fyzici použili mikroskop s vysokým rozlišením, pomocí kterého mohli měřit magnetické korelace mezi jednotlivými vrstvami mřížky. Tímto způsobem zkoumali magnetický řád, tj. Vzájemné vyrovnání atomových magnetických momentů v simulovaném tělese. Pozorovali, že magnetický řád mezi vrstvami soutěžil s původním řádem v jedné vrstvě, což vedlo k závěru, že čím těsněji byly vrstvy spojeny, tím silnější byly korelace mezi vrstvami. Zároveň byly sníženy korelace v rámci jednotlivých vrstev.

Nové výsledky umožňují lepší pochopení šíření magnetismu v systémech spojených vrstev na mikroskopické úrovni. Výsledky by měly v budoucnu pomoci předpovědět vlastnosti materiálu a mimo jiné dosáhnout nových funkcí pevných látek. Protože například vysokoteplotní supravodivost je úzce spjata s magnetickými vazbami, mohly by nové poznatky dlouhodobě přispět k vývoji nových technologií založených na těchto supravodičích.

Odkaz: „Konkurenční magnetické objednávky ve dvouvrstvém Hubbardově modelu s ultra studenými atomy“, autor: Marcell Gall, Nicola Wurz, Jens Samland, Chun Fai Chan a Michael Köhl, 6. ledna 2021. Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-020-03058-x

Financování: Studie byla financována Bonnsko-kolínskou magisterskou školou pro fyziku a astronomii, spoluprací mezi univerzitami v Bonnu a Kolíně nad Rýnem, Nadací Alexandra von Humboldta a Centrem pro společný výzkum TRR 185 „OSCAR – Kontrola atomové a fotonické kvantové hmoty“ prostřednictvím vazby na míru šité na míru „Financovány Německou nadací pro výzkum, Klastrem excelence a hmotou pro kvantové počítače (ML4Q) a Německou obchodní nadací.

Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q)

Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) je výzkumná spolupráce mezi univerzitami v Kolíně nad Rýnem, Cáchách a Bonnu a výzkumným střediskem Jülich. Je financován federálními a státními vládami jako součást strategie excelence. Cílem ML4Q je vyvinout nové počítačové a síťové architektury založené na principech kvantové mechaniky. ML4Q staví na doplňkových odborných znalostech ve třech nejdůležitějších oblastech výzkumu a rozšiřuje je: fyziku pevných látek, kvantovou optiku a kvantovou informační vědu.

Klastr excelence je zakotven v transdisciplinární oblasti výzkumu „Stavební kameny hmoty a základní interakce“ na univerzitě v Bonnu. Vědci z nejrůznějších fakult a oborů se scházejí v šesti různých TRA, aby pracovali na výzkumných tématech zaměřených na budoucnost.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.