Snelle afkoeling voor verdere ontwikkeling van quantum-nanotechnologie

De snelle afkoeling van magnondeeltjes blijkt een verrassend effectieve methode te zijn om een moeilijk te vangen kwantumtoestand van materie, een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat, te creëren. Deze ontdekking kan bijdragen aan de vooruitgang van het kwantumfysisch onderzoek en is bovendien een stap richting het langetermijndoel van kwantumcomputing bij kamertemperatuur.

Een internationaal team van wetenschappers heeft een eenvoudige aanpak gevonden om een buitengewone toestand van materie, een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat, te veroorzaken. De nieuwe methode, die onlangs in het tijdschrift Nature Nanotechnology werd beschreven, moet de onderzoek en ontwikkeling van kwantumcomputing bij kamertemperatuur bevorderen.

Het team, geleid door fysici van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) in Duitsland en de Universiteit van Wenen in Oostenrijk, produceerde het Bose-Einstein-condensaat (BEC) door een plotselinge temperatuursverandering. De quasi-deeltjes worden eerst langzaam opgewarmd en daarna snel weer afgekoeld tot kamertemperatuur. Ze presenteerden de methode met behulp van quasi-deeltjes die magnonen worden genoemd en de kwantummagnetische excitatie van een vaste stof vertegenwoordigen.

„Veel onderzoekers bestuderen verschillende soorten Bose-Einstein-condensaten“, legt professor Burkard Hillebrands van de TUK uit, een van de vooraanstaande onderzoekers op het gebied van BEC. „De nieuwe aanpak die wij ontwikkeld hebben, zou voor veel systemen moeten werken.“

Raadselachtig en spontaan

Bose-Einstein-condensaten, genoemd naar Albert Einstein en Satyendra Nath Bose, die voor het eerst hun bestaan vermoedde, zijn een mysterieuze soort materie. Het gaat om deeltjes die zich op kwantumniveau spontaan allemaal hetzelfde gedragen en in wezen één geheel vormen. Oorspronkelijk gebruikt om ideale gasdeeltjes te beschrijven, werden Bose-Einstein-condensaten gevormd met zowel atomen als met quasi-deeltjes zoals bosonen, fononen en magnonen.

Het creëren van Bose-Einstein-condensaten is een lastige taak, omdat ze per definitie spontaan moeten ontstaan. De voorwaarden scheppen voor de productie van de condensaten betekent dat geen orde of coherentie wordt veroorzaakt die de deeltjes tot hetzelfde gedrag aanzet; de deeltjes moeten dit zelfstandig doen.

Momenteel worden Bose-Einstein-condensaten geproduceerd door de temperatuur te verlagen tot dicht bij het absolute nulpunt of door een groot aantal deeltjes bij kamertemperatuur in een klein volume te injecteren. De kamertemperatuurmethode, waar Hillebrands en zijn medewerkers voor het eerst over rapporteerden in 2005, is echter technisch complex en slechts enkele onderzoeks teams wereldwijd beschikken over de benodigde apparatuur en expertise.

De nieuwe methode daarentegen is veel eenvoudiger. Men heeft een warmtebron en een klein magnetisch nanostructuur nodig, die honderd keer kleiner is dan de dikte van een mensenhaar.

„Onze recente vorderingen in de miniaturisering van magnonische structuren op nanoschaal maakten het mogelijk om het BEC vanuit een heel ander perspectief te bekijken“, legt professor Andrii Chumak van de Universiteit van Wenen uit.

De nanostructuur wordt langzaam verwarmd tot 200°C om fononen te genereren, die op hun beurt weer magnonen van gelijke temperatuur produceren. De warmtebron wordt uitgeschakeld en de nanostructuur koelt binnen ongeveer een nanoseconde snel af tot kamertemperatuur. Hierbij ontsnappen de fononen naar het substraat, maar de magnonen zijn te traag om te reageren en blijven binnen de magnetische nanostructuur.

Michael Schneider, hoofdauteur en promovendus bij de onderzoeksgroep Magnetisme van de TUK, legde de redenen uit: „Als de fononen ontsnappen, willen de magnonen de energie verminderen om in evenwicht te blijven. Omdat ze het aantal deeltjes niet kunnen verminderen, moeten ze de energie op een andere manier reduceren. Daarom vallen ze allemaal op hetzelfde lage energieniveau.“

Door spontaan allemaal hetzelfde energieniveau in te nemen, vormen de magnonen een Bose-Einstein-condensaat.

„We hebben nooit coherentie in het systeem afgedwongen“, legt Andrii Chumak uit, „daarom is dit een zeer zuivere en duidelijke manier om Bose-Einstein-condensaten te produceren.“

Onverwachte resultaten

Zoals vaak in de wetenschap, deed het team deze waarneming per toeval. Ze wilden aanvankelijk een ander aspect van de nanoschakelingen onderzoeken, toen er vreemde dingen gebeurden.

„Eerst dachten we dat er echt iets niet klopte met ons experiment of de data-analyse“, vertelt Michael Schneider.

Na een bespreking van het project met partners aan de TUK en in de VS werden enkele experimentele parameters geoptimaliseerd om te achterhalen of het ongewone fenomeen daadwerkelijk een Bose-Einstein-condensaat was. Deze verificatie werd uitgevoerd met behulp van spectroscopietechnieken.

Het resultaat zal vooral andere natuurkundigen interesseren die deze toestand van materie bestuderen. „Echter, de publicatie van informatie over magnonen en hun gedrag in een soort macroscopische kwantumtoestand bij kamertemperatuur kan invloed hebben op de ontwikkeling van computers die magnonen als gegevensdragers gebruiken“, zegt Burkard Hillebrands.

Andrii Chumak benadrukte het belang van samenwerking binnen het landelijk onderzoeksinitiatief OPTIMAS van de TUK en de speciale onderzoekscommissie „Spin+X“ samen met de Universiteit Mainz om het raadsel op te lossen. Het bundelen van de vakkennis van zijn team over magnonische nanostructuren met de expertise van Hillebrands over magnon-Bose-Einstein-condensaten was onmisbaar. Hun onderzoek werd aanzienlijk gefinancierd door twee beurzen van de Europese Raad voor Onderzoek (ERC).

Oorspronkelijke publicatie:

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

Wetenschappelijk contact:

Nanomagnetisme en Magnonics, Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Wenen
Boltzmanngasse 5, 1090 Wenen
E-mail: andrii.chumak@univie.ac.at
Tel.: +43-1-4277-73910
Mobiel: +43-664-60277-73910
Website: https://nanomag.univie.ac.at/

Prof. Dr. Burkard Hillebrands
Arbeitsgruppe Magnetisme, Fachbereich Natuurkunde, Technische Universiteit Kaiserslautern
Erwin-Schroedinger 56, 67663 Kaiserslautern
E-mail: hilleb@physik.uni-kl.de
Tel.: +49 631 205-4228
Website: https://www.physik.uni-kl.de/hillebrands/home/