Studie: Atomare Verunreinigung ähnlich wie bei Edelsteinen dient als Quanten-Informationsspeicher

De twee natuurkundigen professor Dr. Artur Widera (rechts) en zijn promovendus Felix Schmidt onderzoeken ... (Foto: TUK/Koziel)

Voor de kleuren van edelstenen of de prestaties van moderne halfgeleiders zijn verontreinigingen in materialen de oorzaak. Hetzelfde geldt voor kwantumsystemen, waar het echter nauwelijks is onderzocht. Voor het eerst konden fysici uit Kaiserslautern gecontroleerd individuele verontreinigingen uit cesiumatomen in een ultrazwaar kwantumgas van rubidiumatomen introduceren. Ze hebben waargenomen hoe de verontreinigingen kwantummechanische excitaties (spin) uitwisselden met het gas. Daarnaast hebben ze aangetoond dat cesiumatomen kwantuminformatie kunnen opslaan. Dit was tot nu toe niet mogelijk. De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "Physical Review Letters".

Verontreinigingen uit individuele atomen zoals bij edelstenen bestaan ook in andere materialen en stoffen. Ook in de kwantumfysica zijn ze verantwoordelijk voor verschillende effecten en daarom interessant voor experimenten. Aan de TUK hebben fysici onder leiding van professor dr. Artur Widera en zijn promovendus Felix Schmidt voor het eerst waargenomen hoe dergelijke verontreinigingen zich gedragen in een Bose-Einstein-condensaat bij rubidiumatomen. "Dit betekent in de fysica een toestand van materie die vergelijkbaar is met vloeibare en gasvormige toestanden. Echter, zo'n condensaat is een perfect kwantummechanische toestand die zich als een golf gedraagt," zegt professor Widera, die het vakgebied "Individuele Kwantumsystemen" leidt. Voor fysici is het Bose-Einstein-condensaat een populair model om kwantumeffecten te bestuderen – vergelijkbaar met de fruitvlieg Drosophila in de biologie en geneeskunde, die als modelorganisme dient om bijvoorbeeld genetische vraagstukken te beantwoorden.

In hun huidige studie hebben de fysici uit Kaiserslautern zo'n verontreiniging in een kwantumgas onderzocht. Daarbij koelen ze het af tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt van -273,15°C. "Op deze manier kunnen we een kwantummechanisch systeem controleren," zegt eerste auteur Felix Schmidt. Als verontreiniging hebben de onderzoekers cesiumatomen gebruikt. Op ongeveer 10.000 rubidiumatomen kwamen vijf tot tien cesiumatomen. "Het systeem kan onder een microscoop worden onderzocht. Het ultrazware gas heeft een grootte van tien micrometer," vervolgt de promovendus. Zo hebben de onderzoekers individuele verontreinigingen gelokaliseerd en de verandering in hun structuur, de zogenaamde spins, waargenomen door de interactie met het kwantumgas. "Tot nu toe was het niet mogelijk om individuele atomen in zo'n gas te observeren. We zijn blij dat het ons in het experiment is gelukt," zegt Schmidt.

Daarnaast hebben de onderzoekers getest of de cesiumatomen kunnen worden gebruikt als informatiedragers en tegelijkertijd in het kwantumgas kunnen worden gekoeld. "Om atomen informatie te laten opslaan, moet hun elektronische toestand behouden blijven," legt Widera uit. "Omdat er echter interacties plaatsvinden met de andere atomen in het condensaat, bestaat het risico dat ze door verstoringen de gevoelige informatie verliezen." De onderzoekers zijn er nu voor het eerst in geslaagd om de atomen sterk te koelen in het kwantumgas, zonder dat kwantuminformatie verloren gaat.

"Het model van individuele verontreinigingen in een ultrazwaar gas realiseert een paradigma van de kwantumfysica," zegt professor Widera. "Het kan dienen als uitgangspunt voor een groot aantal andere kwantumexperimenten." Vooral helpen de bevindingen van de wetenschappers uit Kaiserslautern om beter te begrijpen wat er op kwantumniveau gebeurt. Dit zou bijvoorbeeld in de toekomst een rol kunnen spelen bij het begrijpen van supergeleiders en het ontwikkelen van nieuwe materialen. Supergeleiders zouden stroom zonder groot energieverlies over grote afstanden kunnen transporteren bij normale omgevingstemperaturen. Tot nu toe is dit alleen mogelijk bij temperaturen ver onder het vriespunt.

De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Physical Review Letters: "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, en Artur Widera. Phys. Rev. Lett. 121, 130403

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.130403

Widera en zijn promovendus Felix Schmidt doen onderzoek naar kwantumsystemen. De fysici werken daarbij ook interdisciplinair samen met groepen van het Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), waaronder chemie, werktuigbouwkunde en procestechnologie, evenals elektrotechniek en informatie- en communicatietechniek, om fundamenteel onderzoek in de praktijk te brengen.