Rychlé chlazení pro další rozvoj kvantové nanotechnologie

Rychlé ochlazování magnónových částic se ukazuje jako překvapivě účinná metoda, jak vytvořit těžko dosažitelný kvantový stav hmoty, takzvaný Bose-Einsteinův kondenzát, který je považován za jeden z nejzajímavějších kvantových fenoménů. Tato poznatky mohou pomoci posunout kvantovou fyziku dopředu a zároveň představují krok směrem k dlouhodobému cíli kvantového počítání při pokojové teplotě.

Mezinárodní tým vědců našel jednoduchý přístup k vyvolání mimořádného stavu hmoty, takzvaného Bose-Einsteinova kondenzátu. Nová metoda, která byla nedávno popsána v časopise Nature Nanotechnology, má podpořit výzkum a vývoj kvantového počítání při pokojové teplotě.

Tým vedený fyziky z Technické univerzity Kaiserslautern (TUK) v Německu a z Vídeňské univerzity v Rakousku vytvořil Bose-Einsteinův kondenzát (BEC) prostřednictvím náhlé změny teploty. Kvazičástice jsou nejprve pomalu zahřívány a poté rychle ochlazeny zpět na pokojovou teplotu. Představili tento postup pomocí kvazičástic, nazývaných magnony, které představují kvantové magnetické excitace pevné látky.

„Mnoho vědců zkoumá různé typy Bose-Einsteinových kondenzátů,“ vysvětluje profesor Burkard Hillebrands z TUK, jeden z předních výzkumníků v oblasti BEC. „Nový přístup, který jsme vyvinuli, by měl fungovat pro mnoho systémů.“

Záhadné a spontánní

Bose-Einsteinovy kondenzáty, pojmenované po Albertu Einsteinovi a Satyendrovi Nathovi Boseovi, kteří jejich existenci poprvé předvídali, jsou záhadným druhem hmoty. Jedná se o částice, které se na kvantové úrovni spontánně chovají stejně a v podstatě se sloučí do jednoho celku. Původně byly používány k popisu ideálních plynových částic, avšak Bose-Einsteinovy kondenzáty byly vytvořeny jak s atomy, tak s kvazičásticemi, jako jsou bosony, fonony a magnony.

Vytváření Bose-Einsteinových kondenzátů je složitý úkol, protože musí vzniknout spontánně. Podmínky pro jejich vznik znamenají, že nesmí dojít k vytvoření řádu nebo koheze, která by částice přiměla ke stejnému chování; částice musí toto chování vykonávat samy od sebe.

V současnosti jsou Bose-Einsteinovy kondenzáty vytvářeny buď snížením teploty na hodnoty blízké absolutní nule, nebo injekcí velkého množství částic při pokojové teplotě do malého objemu. Metoda při pokojové teplotě, o které poprvé informovali Hillebrands a jeho kolegové v roce 2005, je však technicky složitá a jen několik výzkumných týmů na celém světě disponuje potřebným vybavením a znalostmi.

Nová metoda je však mnohem jednodušší. Stačí mít zdroj tepla a malou magnetickou nanostrukturu, která je stokrát menší než tloušťka lidského vlasu.

„Naše poslední pokroky v miniaturizaci magnonických struktur na nanoskopické úrovni nám umožnily nahlédnout na BEC z úplně jiného úhlu,“ vysvětluje profesor Andrii Chumak z Vídeňské univerzity.

Nanostruktura je pomalu zahřívána na 200°C, čímž se vytvářejí fonony, které následně generují magnony stejné teploty. Zdroj tepla je vypnut a nanostruktura se během asi jedné nanosekundy rychle ochladí na pokojovou teplotu. Při tom fonony unikají do substrátu, zatímco magnony jsou příliš pomalé na reakci a zůstávají uvnitř magnetické nanostruktury.

Michael Schneider, vedoucí autor a doktorand ve skupině zkoumající magnetismus na TUK, vysvětlil důvody: „Když fonony unikají, magnony se snaží snížit energii, aby zůstaly v rovnováze. Jelikož nemohou snížit počet částic, musí energii snižovat jiným způsobem. Proto se všechny shodnou na stejné nízké energii.“

Spontánně přijímají všechny stejnou energii, čímž vytvářejí Bose-Einsteinův kondenzát.

„Nikdy jsme v systému nenásilně nevyvolali kohezi,“ vysvětluje Andrii Chumak, „proto je to velmi čistá a jasná cesta, jak Bose-Einsteinovy kondenzáty vytvářet.“

Nečekané výsledky

Jako často v vědě, tým tuto pozorování učinil úplnou náhodou. Nejprve chtěli zkoumat jiný aspekt nanospojů, když se začaly dít podivné věci.

„Nejprve jsme si mysleli, že s naším experimentem nebo analýzou dat je opravdu něco v nepořádku,“ říká Michael Schneider.

Po diskuzi o projektu s partnery z TUK a z USA byly optimalizovány některé experimentální parametry, aby se zjistilo, zda se podivné jevy skutečně jedná o Bose-Einsteinův kondenzát. Tato kontrola byla provedena pomocí spektroskopických technik.

Výsledek bude především zajímat jiné fyziky, kteří tento stav hmoty zkoumají. „Nicméně zveřejnění informací o magnonech a jejich chování v jakémsi makroskopickém kvantovém stavu při pokojové teplotě může ovlivnit vývoj počítačů, které používají magnony jako datové nosiče,“ říká Burkard Hillebrands.

Andrii Chumak zdůraznil význam spolupráce v rámci národní výzkumné iniciativy OPTIMAS TUK a speciálního výzkumného centra „Spin+X“ společně s Univerzitou v Mainzu při řešení této záhady. Spojení odborných znalostí jeho týmu v oblasti magnonických nanostruktur s expertními znalostmi Hillebrandsa ohledně magnónových Bose-Einsteinových kondenzátů bylo nezbytné. Jejich výzkum byl významně podpořen dvěma stipendii Evropské výzkumné rady (ERC).

Původní publikace:

M. Schneider, et al., Bose-Einstein Condensation of Quasi-Particles by Rapid Cooling, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-020-0671-z, (2020).

Vědecký kontakt:

Nanomagnetismus a magnony, Fakulta fyziky, Vídeňská univerzita
Boltzmanngasse 5, 1090 Vídeň
E-mail: andrii.chumak@univie.ac.at
Tel.: +43-1-4277-73910
Mobil: +43-664-60277-73910
Internet: https://nanomag.univie.ac.at/

Prof. Dr. Burkard Hillebrands
Skupina magnetismu, Fakulta fyziky, Technická univerzita Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger 56, 67663 Kaiserslautern
E-mail: hilleb@physik.uni-kl.de
Tel.: +49 631 205-4228
Internet: https://www.physik.uni-kl.de/hillebrands/home/