Teoreettisten fyysikoiden esittämät ennusteet ovat jääneet vuosikymmenien ajan vahvistamatta kokeellisesti huolimatta jatkuvasta kehityksestä tieteellisessä laitevalmistuksessa. Nyt kvanttifysiikan koe, joka on kehitetty Tanskassa, on johtanut historialliseen löytöön, jota monet pitivät mahdottomana.
Sisällysluettelo
Arvostetussa tiedelehdessä julkaistu artikkeli paljasti innovatiivisen menetelmän, joka poikkeaa tavanomaisesta tavasta ja mahdollisti pääsyn kvanttiilmiöön, jota on käytännössä mahdotonta havaita . Löytö avaa uusia mahdollisuuksia eksoottisten aineen tilojen tutkimukselle.
Mitä historiallista löytöä tiede on odottanut 65 vuotta?
Vuonna 1964 fyysikot Karoli, de Jennesse ja Matrikson esittivät teorian erityisten kvanttitilojen olemassaolosta, joiden pitäisi syntyä joidenkin suprajohtavien materiaalien pyörteissä.
Tämä ennuste, vaikka se olikin perusteltu, jäi ilman suoraa todistetta. Ongelmana oli näiden tilojen erottamisen vaikeus ottaen huomioon tuolloisten kokeellisten rajoitusten, este, joka säilyi yli kuusi vuosikymmentä.
Este ei ollut teoreettinen, vaan tekninen. Niin kutsuttujen CdGM-tilojen suora havainnointi edellytti energiatarkkuutta, jota tavanomaisilla tekniikoilla ei voitu saavuttaa.
Nyt Niels Bohr -instituutin tutkijat ovat keksineet toisen lähestymistavan, joka mahdollistaa tämän kvantti-ilmiön tutkimisen ilman, että sitä tarvitsee havaita alkuperäisessä muodossaan. Historiallinen löytö ei tapahtunut suoraan, vaan kontrolloidusti luomalla olosuhteet, joissa se tapahtuu.
Mitä ovat CdGM-tilat ja miksi ne olivat näkymättömiä?
Caroli–de Gena–Matricona (CdGM) -tilat syntyvät kvanttivyörien ytimessä tyypin II suprajohteissa. Tässä ympäristössä, jossa materiaali menettää tilapäisesti suprajohdeominaisuutensa, hiukkasten käyttäytyminen noudattaa tavanomaisista poikkeavia sääntöjä .
Nämä tilat heijastavat elektronien järjestäytymistä symmetrian rikkoutuneissa ja äärimmäisen rajoitetuissa tilanteissa.
Suurin este niiden havaitsemiselle oli energian ero näiden tilojen välillä, joka on mitätön verrattuna nykyaikaisten laitteiden standardiasteikkoihin.
Keinotekoiset pyörteet: tutkijoiden ässä hihassa tässä tutkimuksessa
Todellisten pyörteiden havainnoinnin vaikeuden vuoksi Niels Bohr -instituutin tiimi valitsi toisen strategian. Sen sijaan, että olisivat etsineet ilmiötä sen luonnollisessa ympäristössä, he rakensivat keinotekoisen rakenteen, joka jäljittelee odotettujen kvanttitilojen syntymiseen tarvittavia olosuhteita.
Tätä varten he käyttivät indiumarsenidista (InAs) valmistettuja nanolankoja, jotka oli päällystetty alumiinikerroksella, luoden sylinterimäisen kuoren suprajohtavasta materiaalista ja puolijohteesta.
Soveltamalla tähän rakenteeseen aksiaalisen magneettikentän he pystyivät aiheuttamaan hallittua muodonmuutosta suprajohtavassa faasissa. Tämä ilmiö jäljittelee keinotekoisen pyörteen syntymistä, jolloin CdGM-tilojen analogit voivat syntyä. Teknisesti ottaen luotiin Van Hoofin singulaarisuuksia, jotka toimivat alkuperäisten kvanttitilojen kopioina.
Lisäksi tämä järjestelmä mahdollistaa sellaisten parametrien säätämisen kuin pinnoitteen paksuus tai magneettikentän voimakkuus, mikä takaa täydellisen hallinnan mallinnetusta kvanttiympäristöstä.
Näin tutkijat voivat havainnoida ja muuttaa näiden tilojen käyttäytymistä , mikä ei ole mahdollista todellisessa suprajohteessa.
Mikä on Littl–Parkin ilmiö ja mikä on sen rooli kokeessa?
Yksi kokeen keskeisistä näkökohdista on ilmiön vahvistaminen hyvin dokumentoidun värähtelykäyttäytymisen avulla: Littl–Parkin ilmiö . Vuonna 1962 löydetty ilmiö osoittaa, kuinka suprajohteen kriittinen lämpötila muuttuu jaksottaisesti, kun siihen kohdistetaan magneettinen virta.
Tanskalaisessa tutkimuksessa havaittiin magneettikentän moduloima lohkoinen rakenne suprajohtavan energian aukon järjestelmässä. Näitä lohkoja vastaavissa alueissa ilmeni dispersiotiloja, jotka vastaavat synteettisten CdGM-tilojen ennusteita.
Näissä muodostelmissa havaittu epäsymmetria vahvistaa entisestään mallin oikeellisuutta. Tutkijoiden mukaan saadut johtavuusjakaumat vastaavat teoreettisia laskelmia, mikä vahvistaa, että ne eivät ole kokeellisia artefakteja.
Kohti uusia kvanttialustoja
Teoreettisen arvon lisäksi tällä historiallisella löydöllä on merkittäviä vaikutuksia kvanttimateriaalitieteeseen . Mahdollisuus mallintaa pyörteitä ja tutkia niiden sisällä esiintyviä tiloja kontrolloidussa ympäristössä on merkittävä edistysaskel.
Erityisesti nämä järjestelmät voisivat toimia alustoina hybridikvanttisimulaattoreille, jotka ovat monimutkaisten fysikaalisten järjestelmien mallintamiseen tarkoitettuja työkaluja.
Fyysikko Saulius Vaitekunasin mukaan, jota on siteerattu tieteellisissä artikkeleissa, tilat eivät olleet kokeen alkuperäinen tavoite, vaan pikemminkin muiden ominaisuuksien tutkimisen tulos . Kun niiden luonne oli määritelty, tutkijat ymmärsivät, että ne voivat olla tie uusien kvanttiohjausstrategioiden kehittämiseen.
Historiallinen ja kansainvälinen läpimurto: näin he saavuttivat saavuttamattoman
Tämä läpimurto ei ollut yhden tiimin työn tulos, vaan pikemminkin kansainvälisen yhteistyön tulos, johon osallistui tutkijoita Tanskasta, Espanjasta ja Yhdysvalloista .
Teoreettisen mallin kehittäminen yhdistettiin nanotuotantomenetelmiin, kuten alumiinin epitaksiaaliseen kasvatukseen ja jännitesulkujen käyttöön sähköstaattisen potentiaalin moduloimiseksi.
Järjestelmän suunnittelussa ja rakentamisessa saavutettu tarkkuus oli avainasemassa. Yksityiskohdat, kuten alumiinin paksuus ja magneettikentän tarkka suunta, olivat tärkeitä.
Koe on esimerkki siitä, kuinka kvanttifysiikan tutkimus perustuu pieniin kumulatiivisiin parannuksiin, jotka ajan mittaan vahvistavat ennusteet, jotka vaikuttivat saavuttamattomilta
