Szybkie chłodzenie dla dalszego rozwoju technologii kwantowej nanotechnologii

Szybkie schładzanie cząstek magnona okazuje się być zaskakująco skuteczną metodą, pozwalającą na wytworzenie trudnego do uchwycenia stanu kwantowego materii, tak zwanego kondensatu Bosego-Einsteina. To odkrycie może przyczynić się do postępu w badaniach fizyki kwantowej i jest także krokiem w kierunku długoterminowego celu komputerów kwantowych działających w temperaturze pokojowej.

Zespół międzynarodowych naukowców opracował prosty sposób wywołania niezwykłego stanu materii, tak zwanego kondensatu Bosego-Einsteina. Nowa metoda, opisana niedawno w czasopiśmie Nature Nanotechnology, ma na celu przyspieszenie badań i rozwoju komputerów kwantowych w temperaturze pokojowej.

Zespół, kierowany przez fizyków z Technische Universität Kaiserslautern (TUK) w Niemczech oraz Uniwersytetu Wiedeńskiego w Austrii, wytworzył kondensat Bosego-Einsteina (BEC) poprzez nagłą zmianę temperatury. Cząstki quasi, zwane magnonsami, najpierw są powoli podgrzewane, a następnie szybko schładzane do temperatury pokojowej. Metodę tę zaprezentowano przy użyciu quasi-cząstek, które nazywa się magnonsami i stanowią kwantowe pobudzenia magnetyczne ciała stałego.

„Wielu badaczy bada różne rodzaje kondensatów Bosego-Einsteina”, wyjaśnia profesor Burkard Hillebrands z TUK, jeden z czołowych badaczy w dziedzinie BEC. „Nowe podejście, które opracowaliśmy, powinno działać dla wielu systemów.”

Tajemnicze i spontaniczne

Kondensaty Bosego-Einsteina, nazwane na cześć Alberta Einsteina i Satyendry Nath Bose’a, którzy po raz pierwszy przypuszczali ich istnienie, są tajemniczym rodzajem materii. Są to cząstki, które na poziomie kwantowym spontanicznie zachowują się tak samo i zasadniczo stają się jednością. Początkowo używane do opisu idealnych cząstek gazu, kondensaty Bosego-Einsteina tworzone były zarówno z atomów, jak i z quasi-cząstek, takich jak bozony, fonony i magnony.

Wytwarzanie kondensatów Bosego-Einsteina jest trudne, ponieważ muszą one powstawać spontanicznie. Warunki konieczne do ich powstania oznaczają, że nie można wprowadzać porządku ani koherencji, które skłaniałyby cząstki do zachowania się tak samo; cząstki muszą to robić samodzielnie.

Obecnie kondensaty Bosego-Einsteina powstają przez obniżenie temperatury do blisko zera bezwzględnego lub przez wstrzyknięcie dużej liczby cząstek w temperaturze pokojowej do małej objętości. Metoda w temperaturze pokojowej, o której po raz pierwszy informowali Hillebrands i jego współpracownicy w 2005 roku, jest jednak technicznie skomplikowana, a tylko niewielkie zespoły badawcze na całym świecie dysponują potrzebnym sprzętem i wiedzą.

Nowa metoda jest znacznie prostsza. Potrzebne jest źródło ciepła i malutka nanostruktura magnetyczna, która jest setki razy mniejsza od grubości ludowego włosa.

„Nasze najnowsze postępy w miniaturyzacji struktur magnonicznych na skalę nanometryczną umożliwiły nam spojrzenie na BEC z zupełnie innej perspektywy”, wyjaśnia profesor Andrii Chumak z Uniwersytetu Wiedeńskiego.

Nanostruktura jest powoli podgrzewana do 200°C, aby wytworzyć fonony, które z kolei generują magnony o tej samej temperaturze. Źródło ciepła jest wyłączane, a nanostruktura szybko schładza się do temperatury pokojowej w ciągu około nanosekundy. W tym procesie fonony odchodzą do podłoża, ale magnony są zbyt wolne, by zareagować, i pozostają wewnątrz magnetycznej nanostruktury.

Michael Schneider, główny autor i doktorant w grupie badawczej magnetyzmu na TUK, wyjaśnił powody: „Gdy fonony uciekają, magnony chcą zredukować energię, aby zachować równowagę. Ponieważ nie mogą zmniejszyć liczby cząstek, muszą zmniejszyć energię w inny sposób. W związku z tym wszystkie z nich trafiają na ten sam niski poziom energii.”

Poprzez spontaniczne zajmowanie tego samego poziomu energii, magnony tworzą kondensat Bosego-Einsteina.

„Nigdy nie wymuszaliśmy koherencji w systemie”, wyjaśnia Andrii Chumak, „dlatego jest to bardzo czysta i klarowna metoda wytwarzania kondensatów Bosego-Einsteina.”

Nieoczekiwane wyniki

Jak to często bywa w nauce, zespół przypadkowo zaobserwował to zjawisko. Na początku chcieli zbadać inny aspekt nanoschematów, gdy nagle zaczęło się dziać coś niezwykłego.

„Najpierw myśleliśmy, że coś jest nie tak z naszym eksperymentem lub analizą danych”, mówi Michael Schneider.

Po omówieniu projektu z partnerami z TUK i z USA, zoptymalizowano niektóre parametry eksperymentalne, aby sprawdzić, czy to niezwykłe zjawisko rzeczywiście jest kondensatem Bosego-Einsteina. Weryfikacja ta została przeprowadzona przy użyciu technik spektroskopowych.

Wynik będzie przede wszystkim interesował fizyków badających ten stan materii. „Jednak publikacja informacji o magnomach i ich zachowaniu w rodzaju makroskopowego stanu kwantowego w temperaturze pokojowej może mieć wpływ na rozwój komputerów wykorzystujących magnony jako nośniki danych”, mówi Burkard Hillebrands.

Andrii Chumak podkreślił znaczenie współpracy w ramach krajowej inicjatywy badawczej OPTIMAS TUK oraz specjalnego obszaru badawczego „Spin+X” wspólnie z Uniwersytetem w Moguncji, aby rozwiązać tę zagadkę. Połączenie wiedzy jego zespołu na temat nanostruktur magnonicznych z doświadczeniem Hillebrands w zakresie kondensatów Bosego-Einsteina magnona było nieodzowne. Ich badania zostały znacząco wspierane przez dwa stypendia Europejskiej Rady ds. Badań (ERC).

Oryginalna publikacja:

M. Schneider i in., Kondensacja Bosego-Einsteina quasi-cząstek przez szybkie chłodzenie, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-020-0671-z, (2020).

Kontakt naukowy:

Univ.-Prof. Dr. Andrii Chumak
Nanomagnetism and Magnonics, Wydział Fizyki, Uniwersytet Wiedeński
Boltzmanngasse 5, 1090 Wiedeń
E-mail: andrii.chumak@univie.ac.at
Tel.: +43-1-4277-73910
Mobil: +43-664-60277-73910
Strona internetowa: https://nanomag.univie.ac.at/

Prof. Dr. Burkard Hillebrands
Zespół Magnetyzmu, Wydział Fizyki, Technische Universität Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger 56, 67663 Kaiserslautern
E-mail: hilleb@physik.uni-kl.de
Tel.: +49 631 205-4228
Strona internetowa: https://www.physik.uni-kl.de/hillebrands/home/