Vědci slyší mluvit dva atomy: magnetické kvantové interakce

Umělecký dojem z experimentu, při kterém je na atom titanu aplikován elektrický puls. Výsledkem je, že se jeho magnetický moment náhle obrátí. Sousední atom titanu (vpravo) reaguje na tento pohyb, ale nemůže držet krok s rychlým pohybem. Jako takový je zahájena výměna magnetických kvantových informací mezi atomy. Fotografický kredit: TU Delft / Scixel

To, jak se materiály chovají, závisí na interakcích mezi nesčetnými atomy. Můžete to vidět jako obrovský skupinový chat, kde si atomy nepřetržitě vyměňují kvantové informace. Vědci z Technické univerzity v Delftu ve spolupráci s RWTH Aachen University a Forschungszentrum Jülich nyní dokázali zachytit chat mezi dvěma atomy. Prezentují své výsledky v Věda 28. května 2021.

Atomy samozřejmě nemluví. Ale mohou cítit. To platí zejména pro magnetické atomy. “Každý atom nese malý magnetický moment zvaný spin. Tyto rotace se navzájem ovlivňují jako jehly kompasu, když je přiblížíte k sobě. Když jednoho z nich podpoříte, pohybují se společně velmi specifickým způsobem, “vysvětluje Sander Otte, vedoucí týmu, který výzkum provedl. “Podle zákonů kvantové mechaniky může každá rotace směřovat současně různými směry a vytvářet superpozici.” To znamená, že skutečný přenos kvantové informace probíhá mezi atomy, jako nějaká konverzace. “

Ostrá jehla

Tento typ výměny informací mezi atomy může vést k fascinujícím jevům ve velkém měřítku. Klasickým příkladem je supravodivost: účinek, při kterém některé materiály ztratí celý svůj elektrický odpor pod kritickou teplotou. Ačkoli je dobře pochopen pro nejjednodušší případy, nikdo přesně neví, jak k tomuto efektu dochází u mnoha složitých materiálů. Je však jisté, že magnetické kvantové interakce hrají klíčovou roli. Vědci se kvůli vysvětlení těchto jevů velmi zajímají o to, aby mohli tuto výměnu zachytit. vyslechnout rozhovory mezi atomy.

V Otteově týmu k tomu přistupují docela přímo: doslova položili dva atomy vedle sebe, aby viděli, co se stane. To je možné díky skenovacímu tunelovému mikroskopu: zařízení, ve kterém může ostrá jehla zkoumat atomy jednotlivě a dokonce je přeskupovat. S tímto zařízením umístili vědci dva atomy titanu o něco více než nanometr – miliontinu milimetru – od sebe. V této vzdálenosti mohou atomy cítit pouze točení druhého. Pokud byste teď měli otočit některou z rotací, konverzace by začala sama.

Obvykle se toto zkroucení provádí vysíláním velmi přesných rádiových signálů k atomům. Tato takzvaná technologie spinové rezonance, která silně připomíná funkční princip skeneru MRT nalezeného v nemocnicích, se úspěšně používá při výzkumu kvantových bitů. Tento nástroj je k dispozici také týmu Delft, ale má jednu nevýhodu. „Je to příliš pomalé,“ říká postgraduální student Lukas Veldman, hlavní autor časopisu Věda Vydání. “Sotva jste začali točit jednu rotaci, než se začala točit druhá.” Tímto způsobem nikdy nemůžete zkoumat, co se stane, pokud umístíte obě rotace do opačných směrů. “

Neortodoxní přístup

Vědci tedy zkusili něco neortodoxního: Rychle obrátili rotaci jednoho ze dvou atomů náhlým nárůstem elektřiny. K jejímu překvapení tento drastický přístup vyústil v krásnou kvantovou interakci hned po knize. Během pulzu se elektrony srazí s atomem a způsobí jeho rotaci. Otte: „Vždy jsme však předpokládali, že během tohoto procesu došlo ke ztrátě citlivé kvantové informace – takzvané koherence. Koneckonců, elektrony jsou nesouvislé: historie každého elektronu před srážkou je mírně odlišná a tento chaos se přenáší do rotace atomu, což ničí jakoukoli soudržnost. “

Skutečnost, že se to nyní nejeví jako pravda, vyvolala určitou debatu. Jakýkoli náhodný elektron, bez ohledu na jeho minulost, může zřejmě iniciovat koherentní superpozici: specifickou kombinaci elementárních kvantových stavů, která je plně známá a tvoří základ téměř každé formy kvantové technologie.

Perfektní překrytí

„Klíčové je, že záleží na otázce, kterou se ptáte,“ argumentuje Markus Ternes, spoluautor RWTH Aachen University a Forschungszentrum Jülich. “Elektron přemění rotaci atomu a ukazuje například doleva.” Můžete si to představit jako měření, které vymaže veškerou kvantovou paměť. Z pohledu kombinovaného systému, který zahrnuje oba atomy, však výsledná situace vůbec není tak banální. Pro tyto dva atomy dohromady představuje nový stav dokonalou superpozici, která umožňuje výměnu informací mezi nimi. Rozhodujícím faktorem je to, že se obě točení zapletou: zvláštní kvantový stav, ve kterém si navzájem vyměňují více informací, než je klasicky možné. “

Objev může být důležitý pro kvantový bitový výzkum. Možná i v tomto výzkumu byste mohli uniknout tomu, že budete inicializovat kvantové stavy o něco méně opatrní. Ale pro Otte a jeho tým je obvykle výchozím bodem pro ještě hezčí experimenty. Veldman: „Zde jsme použili dva atomy, ale co se stane, když použijete tři? Nebo deset nebo tisíc? Nikdo to nemůže předvídat, protože výpočetní výkon je pro taková čísla nedostatečný. Možná jednoho dne můžeme poslouchat kvantové rozhovory, které dosud nikdo neslyšel. “

Odkaz: „Volný koherentní vývoj spojeného atomového spinového systému inicializovaného rozptylem elektronů“ Lukas M. Veldman, Laëtitia Farinacci, Rasa Rejali, Rik Broekhoven, Jérémie Gobeil, David Coffey, Markus Ternes a Alexander F. Otte, 28. května 2021, Věda.
DOI: 10.1126 / science.abg8223

Financování: Nizozemská rada pro výzkum (NWO), grant VICI

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

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...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.