(Yuichiro Chino/Moment/Getty Images) Ein Exot und völlig neu Aggregatszustand genannt Quantenspinflüssigkeit wurde vermutet für Jahrzehnte , und jetzt konnten Wissenschaftler es erstmals in einem Labor beobachten.
Der „flüssige“ Teil bezieht sich auf Elektronen, die sich in einem magnetischen Material bei niedrigen Temperaturen ständig verändern und schwanken. Anders als bei normalen Magneten stabilisieren sich die Elektronen in diesem Fall nicht und setzen sich beim Abkühlen nicht im strukturierten Gitter eines Festkörpers fest.
Der ' Quantenspin „bezieht sich auf die Ausrichtung des Drehimpulses (nach oben oder unten), der von Teilchen getragen wird, die paarweise mit entgegengesetzten Spins verschränkt sind. Nachdem der Zustand nun zum ersten Mal beobachtet wurde, hofft man, dass die Entdeckung den Fortschritt in der Entwicklung vorantreiben kann Quantencomputer .
„Es ist ein ganz besonderer Moment auf dem Feld“ sagt der Quantenphysiker Michail Lukin , von der Harvard University in Massachusetts. „Man kann diesen exotischen Zustand wirklich berühren, anstupsen und anstupsen und ihn manipulieren, um seine Eigenschaften zu verstehen … es ist ein neuer Zustand der Materie, den Menschen noch nie beobachten konnten.“
Normale Magnete verfügen über Elektronen, deren Spin entweder nach oben oder nach unten in die gleiche Richtung ausgerichtet ist, was den Magnetismus erzeugt.
In Quantenspinflüssigkeiten wird ein drittes Elektron eingeführt. Während sich also zwei gegensätzliche Spins gegenseitig stabilisieren, bringt der Spin des dritten Elektrons das Gleichgewicht durcheinander. Es entsteht ein „frustrierter“ Magnet, bei dem sich die Spins nicht alle in eine Richtung stabilisieren können.
Um ihr eigenes frustriertes Gittermuster zu erzeugen, verwendete das Team einen programmierbaren Quantensimulator aus dem Jahr 2017. Der Simulator verwendet a so viel wie ein Computer Programm, um Atome mithilfe von Lasern in benutzerdefinierten Formen zu halten – wie Quadraten, Dreiecken oder Waben – und kann zur Entwicklung verschiedener Quantenwechselwirkungen und -prozesse verwendet werden.
Der Simulator verwendet eng fokussierte Laserstrahlen, um Atome einzeln anzuordnen. Durch die Anordnung der Rubidiumatome in einem dreieckigen Gitter konnten die Forscher einen frustrierten Magneten mit Quanteneigenschaften erzeugen Verstrickung – wo Änderungen in einem Atom in einem zweiten verschränkten Atom übereinstimmen.
Die Verbindungen zwischen den Atomen deuteten darauf hin, dass tatsächlich eine Quantenspinflüssigkeit entstanden war.
„Sie können die Atome so weit auseinander bewegen, wie Sie möchten; Sie können die Frequenz des Laserlichts ändern; „Man kann die Parameter der Natur wirklich auf eine Art und Weise verändern, wie es in dem Material, in dem diese Dinge früher untersucht wurden, nicht möglich war“, sagt der Quantenphysiker Subir Sachdev , von der Harvard University.
„Hier können Sie sich jedes Atom ansehen und sehen, was es tut.“
Quantencomputer basieren auf Quantenbits oder Qubits, und man hofft, dass Quantenspinflüssigkeiten bei der Entwicklung topologischer Qubits helfen werden: Qubits, die besser gegen äußeres Rauschen und Störungen geschützt sind.
Für einen Quantencomputer ist das enorm wichtig. Diese Systeme können sehr empfindlich sein und es ist eine der größten Herausforderungen für Wissenschaftler, sie über längere Zeiträume fehlerfrei funktionieren zu lassen arbeiten daran .
Nachdem nun zum ersten Mal Quantenspinflüssigkeiten entdeckt wurden, dürfte dies dabei helfen, herauszufinden, wie man Qubits so robust wie möglich machen kann. Es gibt jetzt noch viel mehr zu erforschen, sagen die Forscher.
„Zu lernen, wie man solche topologischen Qubits erstellt und verwendet, wäre ein großer Schritt auf dem Weg zur Realisierung zuverlässiger Quantencomputer.“ sagt die Quantenphysikerin Giulia Semeghini von der Harvard University.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaft .