Gyors lehűtés a kvantum-nanotechnológia további fejlesztése érdekében

A magnón-részecskék gyors lehűtése meglepően hatékony módszer arra, hogy egy nehezen megfogható kvantumállapotot, úgynevezett Bose-Einstein-kondenzátumot hozzunk létre. Ez a felismerés hozzájárulhat a kvantumfizikai kutatás előrehaladásához, és emellett lépés a hosszú távú cél, a szobahőmérsékleti kvantumszámítógépek felé.

Egy nemzetközi tudóscsoport talált egy egyszerű megközelítést arra, hogy egy rendkívüli anyagállapotot, egy úgynevezett Bose-Einstein-kondenzátumot, kiváltsanak. Az új eljárást, amelyet nemrég a Nature Nanotechnology folyóiratban írtak le, a szobahőmérsékleti kvantumszámítógépek fejlesztésének támogatására szánják.

A csoport, amelyet a Kaiserslauterni Műszaki Egyetem (TUK) németországi és a Bécsi Egyetem osztrák vezetett, a Bose-Einstein-kondenzátumot (BEC) egy hirtelen hőmérséklet-változtatással állította elő. A kvázi-részecskék először lassan melegítve, majd gyorsan visszahűtve kerültek szobahőmérsékletre. A módszert kvázi-részecskék segítségével mutatták be, amelyeket magnónoknak neveznek, és amelyek egy szilárdtest mágneses gerjesztéseinek kvantumállapotát képviselik.

„Sok kutató vizsgál különböző típusú Bose-Einstein-kondenzátumokat,” magyarázza Burkard Hillebrands professzor a TUK-ról, aki a BEC területének egyik vezető kutatója. „Az általunk kifejlesztett új megközelítés sok rendszerben működhet.”

Rejtélyes és spontán

A Bose-Einstein-kondenzátumok, amelyek Albert Einstein és Satyendra Nath Bose nevét viselik, akik elsőként sejtették létezésüket, egy rejtélyes anyagfajta. Olyan részecskék, amelyek a kvantum szinten spontán ugyanúgy viselkednek, és lényegében egységgé válnak. Eredetileg az ideális gázrészecskék leírására használták, de Bose-Einstein-kondenzátumokat atomokból, valamint kvázi-részecskékből, például boszonszokból, fononokból és magnónokból is létrehoztak.

A Bose-Einstein-kondenzátumok előállítása egy bonyolult feladat, mivel azoknak spontán módon kell kialakulniuk. A kondenzátumok létrehozásához szükséges feltételek megteremtése azt jelenti, hogy nem szabad olyan rendet vagy kohéziót létrehozni, amely a részecskéket ugyanarra a viselkedésre ösztönözné; a részecskéknek ezt saját maguktól kell elérniük.

Jelenleg a Bose-Einstein-kondenzátumokat úgy állítják elő, hogy a hőmérsékletet a abszolút nullához közeli értékre csökkentik, vagy nagy számú részecskét injektálnak szobahőmérsékleten egy kis térfogatba. Az 2005-ben először beszámolt szobahőmérsékleti módszer azonban technikailag összetett, és csak kevés kutatócsoport rendelkezik a szükséges felszereléssel és szaktudással.

Az új módszer azonban sokkal egyszerűbb. Egy hőforrásra és egy apró mágneses nanostruktúrára van szükség, amely százszor kisebb, mint egy emberi hajszál vastagsága.

„Legújabb eredményeink a magnónikus struktúrák nanoszintű kicsinyítésében lehetővé tették, hogy a Bose-Einstein-kondenzátumot egészen más perspektívából vizsgáljuk,” magyarázza Andrii Chumak professzor a Bécsi Egyetemen.

A nanostruktúrát lassan 200°C-ra melegítik, hogy fononokat hozzanak létre, amelyek viszont ugyanilyen hőmérsékleten magnónokat generálnak. A hőforrást kikapcsolják, és a nanostruktúra gyorsan, körülbelül egy nanomásodperc alatt visszahűl szobahőmérsékletre. Ekkor a fononok elmennek a szubsztrátumhoz, de a magnónok túl lassúak ahhoz, hogy reagáljanak, és a mágneses nanostruktúrában maradnak.

Michael Schneider, a TUK mágnesesség-kutató csoportjának vezetője és PhD-hallgató, elmagyarázta az okokat: „Amikor a fononok elmennek, a magnónok energiát akarnak csökkenteni, hogy egyensúlyban maradjanak. Mivel nem tudják csökkenteni a részecskék számát, más módon kell energiát csökkenteniük. Ezért mind ugyanarra a alacsony energiaszintre esnek.”

Azáltal, hogy spontán ugyanarra az energiaszintre kerülnek, a magnónok Bose-Einstein-kondenzátumot alkotnak.

„Soha nem kényszerítettük a kohéziót a rendszerben,” magyarázza Chumak, „ez egy nagyon tiszta és világos módja a Bose-Einstein-kondenzátumok előállításának.”

Váratlan eredmények

Ahogy a tudományban gyakran, a csapat véletlenül fedezte fel ezt a megfigyelést. Először egy másik nanoszekvencia vizsgálatát tervezték, amikor furcsa dolgok történtek.

„Először azt hittük, hogy valami nem stimmel a kísérletünkkel vagy az adatelemzéssel,” mondja Michael Schneider.

Miután a TUK és az USA-beli partnerekkel egyeztettek, néhány kísérleti paramétert optimalizáltak annak érdekében, hogy kiderüljön, valóban Bose-Einstein-kondenzátumról van-e szó. Ezt spektroszkópiai technikákkal ellenőrizték.

Az eredményt elsősorban azok a fizikusok fogják érdekelni, akik ezt az anyagállapotot vizsgálják. „Azonban a magnónok és viselkedésük közlése egy makroszkopikus kvantumállapotban szobahőmérsékleten hatással lehet a számítógépek fejlesztésére, amelyek magnónokat használnak adatátvitelre,” mondja Hillebrands.

Chumak hangsúlyozta az együttműködés fontosságát a TUK OPTIMAS országos kutatási kezdeményezésében és a „Spin+X” különleges kutatási területben, közösen a Mainz-i Egyetemmel a rejtvény megoldásában. Csapatának szakértelmét a magnónikus nanostruktúrák terén Hillebrands szakértelmével összekapcsolni elengedhetetlen volt. Kutatásukat két európai kutatási tanácsi ösztöndíj támogatja jelentősen.

Eredeti publikáció:

M. Schneider, et al., Quasi-részecskék Bose-Einstein-kondenzációja gyors hűtéssel, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-020-0671-z, (2020).

Tudományos kapcsolat:

Dr. Andrii Chumak
Nanomágnesesség és magnónia, Fizikai Kar, Bécsi Egyetem
Boltzmanngasse 5, 1090 Bécs
E-mail: andrii.chumak@univie.ac.at
Telefon: +43-1-4277-73910
Mobil: +43-664-60277-73910
Honlap: https://nanomag.univie.ac.at/

Dr. Burkard Hillebrands
Mágnesesség Kutatócsoport, Fizikai Tanszék, Kaiserslautern Műszaki Egyetem
Erwin-Schrödinger 56, 67663 Kaiserslautern
E-mail: hilleb@physik.uni-kl.de
Telefon: +49 631 205-4228
Honlap: https://www.physik.uni-kl.de/hillebrands/home/