Bose-Einstein-kondensat är makroskopiska kvantfaser av materia som endast uppträder under mycket speciella förhållanden. Att lära sig mer om dessa faser av materia kan hjälpa forskare att utveckla en bättre förståelse av grundläggande kvantbeteenden och eventuellt bidra till framtida kvanteknologi.

Det är därför Kate Ross och Ph.D. kandidat Gavin Hester, forskare från Colorado State University, är på Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att undersöka ett material som kallas ytterbiumsilikat. Ross tror ytterbiumsilikat, det enda magnetiska materialet baserat på ett sällsynt jordartsmaterial som visar tecken på ett Bose-Einstein-kondensat, kan ha nyckeln till att förstå kvantfenomen i andra magneter baserade på sällsynta jordartsmetaller. Genom att sondera prover av ytterbiumsilikat med neutroner, Ross hoppas kunna generera en detaljerad karta över detta unika Bose-Einstein-kondensat och sedan använda den kartan för att validera hennes hypotes genom att identifiera exotiska kvanttillstånd i andra magnetiska material. Ross och hennes medarbetare diskuterar sina fynd i sin artikel publicerad i tidningen Fysiska granskningsbrev .

"Om vi ​​kan få en bättre förståelse av det Bose-Einstein-kondensat vi ser i detta material, då kan vi eventuellt använda den kunskapen för att upptäcka liknande kvanttillstånd i många kroppar i andra magnetiska material baserat på element av sällsynta jordartsmetaller, sa Ross.

Ross förklarar att Bose-Einstein-kondensatet, även känd som en BEC -fas, är en kvantvätska där partiklar slutar bete sig som enskilda enheter och i stället beter sig som vågor som rör sig i synk med varandra över tyget av en singel, enhetligt system. Det är till skillnad från alla fasta, flytande, gas, eller plasma och visas endast vid temperaturer nära absolut noll, eller 0 K (cirka -460 ° F). Forskare har fortfarande mycket att lära om detta unika tillstånd av materia, men det finns hopp om att dess unika egenskaper en dag kan bidra till avancerade material.

"Det finns ingen direkt koppling mellan Bose-Einstein-kondensat och aktuella förslag för kvantteknik. Men vi har också mycket att lära om hur detta material beter sig, och att svara på några av dessa grundläggande frågor om kvantfenomen kommer att ligga till grund för framtida vetenskapliga prestationer, sa Hester.

Till att börja, man har länge antagit att Bose-Einstein-kondensat inte kan förekomma i magnetiska material baserade på sällsynta jordartsmetaller eftersom de specifika magnetiska interaktionerna inte tycktes vara tillräckligt isotropa för att en BEC-fas ska visas. Men, efter att ha observerat bevis på en BEC -fas i ytterbiumsilikat under tidigare experiment, Ross och hennes team misstänker att detta antagande kan vara falskt.

"Vi blev verkligen förvånade när vi såg bevisen för en BEC-fas. Det tyder på att ytterbium är en mycket mer mångsidig ingrediens för att bilda många kropps kvanttillstånd än vi tidigare trott, sa Ross.

För att bättre förstå ytterbiumsilikatets förmåga att vara värd för en BEC -fas, Ross använde instrumentet Cold Neutron Chopper Spectrometer, eller CNCS, vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS) och Fixed-Incident Energy Triple-Axis Spectrometer, eller FIE-TAX, vid High Flux Isotope Reactor (HFIR) för att sondera kristalliserade prover av ytterbiumsilikat. Kompletterande röntgen- och neutronspridningsmätningar utfördes vid Argonne National Laboratory och National Institute of Standards and Technology.

Dessa experiment har pågått i nästan 4 år. Ross forskargrupp började först odla prover av ytterbiumsilikat och kartlägga beteendet hos detta material redan 2015. Med sina medarbetare, de använde olika sonder vid Colorado State University och Sherbrooke University i Kanada för att få en första titt på materialets beteende, men de var ivriga att använda neutronspridning för att undersöka deras prover.

"Neutroner tränger djupt in, och när de passerar genom våra prover rör de upp dessa framväxande kvantpartiklar på ett sådant sätt att vi exakt kan mäta exakt hur dessa partiklar beter sig inom ytterbiumsilikatets mikrostruktur, sa Hester.

För att förbereda sina prover för neutronspridning, Ross och hennes medarbetare var tvungna att skära och anpassa varje enskild kristall så att var och en var orienterad i samma riktning. Vidare, Ross var tvungen att både utsätta sina ytterbiumsilikatprover för ett magnetfält och använda en speciell kylkammare för att få dem ner till en kylig -459,28 ° F, som är kallare än interstellärt rymd och mycket nära absolut noll.

"Att sätta ihop detta experiment tog mycket arbete, men data vi fick var definitivt värt ansträngningen, sa Ross.

Ross och Hester hoppas att deras arbete inte bara kommer att belysa hur ytterbiumsilikatets BEC -fas är unik, men ger också forskare en bättre förståelse av kvantfenomen i allmänhet som de förekommer i andra magnetiska material baserat på element av sällsynta jordartsmetaller.

"Vi är definitivt intresserade av att lära oss mer om denna BEC -fas i ytterbiumsilikat specifikt, men vi hoppas att det vi lär oss här också kommer att hjälpa våra kollegor att upptäcka fler kvanttillstånd i sällsynta jordbaserade material. Denna grundläggande förståelse är väsentlig för att bilda de materiella plattformarna för framtida kvantteknologi, sa Ross.