Tanulmány: Az ékszerekhez hasonló atomos szennyeződés kvantuminformáció-tárolóként szolgál

A két fizikus, Prof. Dr. Artur Widera (jobbra) és PhD-hallgatója, Felix Schmidt kutat ... (Kép: TUK/Koziel)

A drágakövek színét vagy a modern félvezetők teljesítőképességét az anyagok szennyeződése okozza. Hasonló a helyzet a kvantumrendszereknél is, ahol azonban ez alig van kutatva. Először sikerült a Kaiserslautern-i fizikusoknak kontrollált módon egyes szennyeződéseket bejuttatni césium-atomokból álló ultrahideg kvantumgázba. Megfigyelték, hogyan cserélődnek a szennyeződések kvantummechanikai gerjesztésekkel (spin) a gázzal. Emellett kimutatták, hogy a césium-atomok kvantuminformációt tudnak tárolni. Ez eddig nem volt lehetséges. A tanulmány a neves „Physical Review Letters” szakfolyóiratban jelent meg.

A drágakövekhez hasonló egyedi atomokból származó szennyeződések más anyagokban és szerkezetekben is előfordulnak. A kvantumfizikában is különféle hatásokért felelősek, ezért érdekesek kísérletek szempontjából. A TUK-n (Technische Universität Kaiserslautern) Prof. Dr. Artur Widera és doktori hallgatója, Felix Schmidt vezetésével most először figyelték meg, hogyan viselkednek ilyen szennyeződések egy Bose–Einstein-kondenzátumban, amely rubidium-atomokból áll. „Ezt az anyagállapotot a fizikában a folyékony és gáz halmazállapothoz hasonló állapotnak nevezik. Ugyanakkor ez egy tökéletes kvantummechanikai állapot, amely hullámként viselkedik” – mondja Widera professzor, aki az egyéni kvantumrendszerek oktatási területét irányítja. A Bose–Einstein-kondenzátum a fizikusok körében kedvelt modell a kvantumhatások vizsgálatára – hasonlóan ahhoz, ahogy a biológiában és orvostudományban a Drosophila gyümölcslegyek modellszervezetként szolgálnak genetikai kérdések megválaszolására.

Aktuális tanulmányukban a Kaiserslautern-i fizikusok egy ilyen szennyeződést vizsgáltak kvantumgázban. Ezt a gázt közelítették az abszolút nulla fokhoz (-273,15 °C). „Így kontrollálhatjuk egy kvantummechanikai rendszer viselkedését” – mondja az első szerző, Felix Schmidt. Szennyeződésként césium-atomokat alkalmaztak. Körülbelül 10 000 rubidium-atomra öt-tíz césium-atom jutott. „A rendszert mikroszkóp alatt lehet vizsgálni. Az ultrahideg gáz mérete tíz mikrométer” – folytatja a doktorandusz. Így a kutatók lokalizálták az egyes szennyeződéseket, és megfigyelték szerkezetük, az úgynevezett spin változását a kvantumgázzal való kölcsönhatás során. „Eddig nem volt lehetőség egyes atomokat megfigyelni ilyen gázban. Örülünk, hogy ez sikerült nekünk a kísérletben” – mondja Schmidt.

Továbbá a kutatók ellenőrizték, hogy a césium-atomokat információtárolóként lehet-e használni, miközben a kvantumgázban hűtik őket. „Az atomok információtartásához meg kell őrizni elektronikus állapotukat” – magyarázza Widera. „Mivel azonban a kondenzátumban a többi atommal kölcsönhatásba lépnek, fennáll a veszély, hogy a sérülékeny információk elvesznek a zavarok miatt.” A kutatók most először sikerült erősen lehűteni az atomokat a kvantumgázban anélkül, hogy kvantuminformációk vesznének el.

„Az egyedi szennyeződések egy ultrahideg gázban megvalósított modell a kvantumfizika egyik paradigmatikus példája” – mondja Widera professzor. „Ez kiindulópontként szolgálhat sok más kvantumkísérlethez.” Különösen a Kaiserslautern-i tudósok eredményei segítenek jobban megérteni, mi történik a kvantum szinten. Ez például a jövőben szerepet játszhat a szupervezetők megértésében és új anyagok fejlesztésében. A szupervezetők elektromos áramot nagy energiaveszteség nélkül képesek szállítani normál környezeti hőmérsékleten is. Eddig ez csak a fagyáspont alatti hőmérsékleteken volt lehetséges.

A tanulmány a neves „Physical Review Letters” szakfolyóiratban jelent meg: „Quantum spin dynamics of individual neutral impurities coupled to a Bose-Einstein condensate.” Felix Schmidt, Daniel Mayer, Quentin Bouton, Daniel Adam, Tobias Lausch, Nicolas Spethmann és Artur Widera. Phys. Rev. Lett. 121, 130403

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.130403

Widera és doktori hallgatója, Felix Schmidt kvantumrendszerekkel foglalkoznak. A fizikusok az OPTIMAS (Országos Optikai és Anyagtudományi Kutatóközpont) interdiszciplináris munkacsoportjaival is együttműködnek kémia, gépészmérnöki, feldolgozóipari, valamint elektrotechnikai és információtechnikai kutatócsoportokkal, hogy az alapkutatásokat alkalmazásokba fordítsák.