En sommarpraktik i Bilbao, Spanien, har lett till ett papper i tidskriften Fysiska granskningsbrev för Jack Mayo, en masterstudent vid University of Groningen, Nederländerna. Han har hjälpt till att skapa en universell modell som kan förutsäga nummerfördelningen av topologiska defekter i icke-jämviktssystem. Resultaten kan tillämpas på kvantberäkningar och på studier av ursprunget till struktur i det tidiga universum.

Mayo, student vid Top Master Program i nanovetenskap vid Zernike Institute for Advanced Materials vid University of Groningen, tillbringade sin sommarsemester 2019 på den baskiska kusten nedsänkt i teoretisk fysik. Projektet som han deltog i ägde rum i forskargruppen ledd av professor Adolfo del Campo vid Donostia International Physics Center (DIPC), och syftade till att lösa ett problem inom kvantberäkning – men det har mycket bredare implikationer, från nanoskala magneter till kosmos. I alla dessa system, orderns början (t.ex. ordning inducerad av kylning) åtföljs nästan alltid av utvecklingen av defekter. "Ta ett system där partiklar har ett magnetiskt moment som kan vända mellan upp och ner, " Mayo förklarar. "Om du ökar deras attraktiva interaktion, de kommer att börja anpassa sig till varandra."

Iskristaller

Denna inriktning kommer att börja vid vissa okorrelerade punkter i ett medium och sedan växa - som iskristaller i vatten. Justeringen av varje domän (upp eller ner i exemplet med magnetiska moment) är en fråga om slumpen. "Lokala anpassningar kommer att växa utåt och i ett visst skede, domäner kommer att börja mötas och interagera, "säger Mayo. Till exempel, om en upp-domän möter en ned-domän, resultatet blir en domänvägg vid deras gränssnitt – en symmetribrytande defekt i den ordnade strukturen, lämnar efter sig en artefakt av materialet i dess högre symmetrifas.

Denna glödgning av ett medium beskrivs av Kibble-Zurek-mekanismen, ursprungligen utformad för att förklara hur en fasövergång resulterade i ordnade strukturer i det tidiga universum. Det upptäcktes senare att det kunde användas för att beskriva övergången av flytande helium från en fluid till en superfluid fas. "Mekanismen är universell och används också i kvantberäkning baserad på kvantglödgning, " förklarar Mayo. Den här tekniken finns redan på marknaden och kan lösa komplexa pussel som problemet med resande säljare. ett problem med denna typ av arbete är att defekter som uppstår under glödgningsprocessen kommer att förvränga resultatet.

Fasövergångar

Antalet defekter som dyker upp vid kvantglödgning beror på hur lång tid det tar att passera fasövergången. "Om du har miljontals år på dig att långsamt förändra interaktionen mellan enheter, du får inga defekter, men det är inte särskilt praktiskt, " Mayo anmärker. Tricket är att utforma ändliga tids- och därför mer praktiska scheman för att få ett acceptabelt antal defekter med hög sannolikhet. Forskningsprojektet där han deltog syftade till att skapa en modell som kunde uppskatta antalet defekter och vägleda den optimala designen av dessa system.

Statistisk modell

Att göra detta, fysikerna använde teoretiska verktyg för att beskriva fasövergångar och numeriska simuleringar för att uppskatta defektfördelningen under kylning. Eftersom varje domän kan ha ett av två värden (upp eller ner i exemplet med magnetiska moment), de kunde uppskatta chansen att två motsatta domäner möts och skapar ett fel. Detta ledde till en statistisk modell baserad på binomialfördelning, som skulle kunna användas för att förutsäga hur ett system ska kylas för att skapa minsta möjliga antal defekter. Modellen verifierades mot oberoende numeriska simuleringar och verkade fungera bra. Denna nya modell beskrevs i en tidning som publicerades den 17 juni i Fysiska granskningsbrev och åtföljdes av en "Viewpoint" publicerad i Physics, en kommentar om resultaten av den oberoende fysikern professor Smitha Vishveshwara från University of Illinois i Urbana-Champaign.