När det gäller att helt förstå kvantmaterialens dolda hemligheter, det krävs en för att känna en, forskare säger:Endast verktyg som också arbetar med kvantprinciper kan få oss dit.

Ett nytt forskningscenter för energiavdelningen kommer att fokusera på att utveckla dessa verktyg. Baserad vid University of Illinois i Urbana-Champaign, Center for Quantum Sensing and Quantum Materials samlar experter från UIUC, DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University och University of Illinois-Chicago.

De kommer att arbeta med att utveckla tre banbrytande kvantavkänningsenheter:ett scanning qubit-mikroskop, ett spektroskopiinstrument som utnyttjar par av intrasslade elektroner och ett annat instrument som kommer att sondera material med par av fotoner från SLAC:s röntgenfri-elektronlaser, Linacs koherenta ljuskälla, som nyligen har öppnat igen efter en uppgradering.

Dessa nya tekniker kommer att tillåta forskare att se i mycket större detalj varför kvantmaterial gör de konstiga saker de gör, banar väg för att upptäcka nya kvantmaterial och uppfinna ännu mer känsliga sonder av deras beteende.

Arbetet kommer att fokusera på att förstå processerna på atomnivå bakom okonventionella supraledare som leder elektricitet utan motstånd vid relativt höga temperaturer; topologiska isolatorer, som leder ström utan förlust längs sina kanter; och konstiga metaller, som supraleder när de kyls men har konstiga egenskaper vid högre temperaturer.

"Det som är spännande är att det här centret ger oss en chans att skapa några riktigt nya kvantmättekniker för att studera energirelevanta kvantmaterial, "centerdirektör Peter Abbamonte, professor i fysik vid UIUC, sa i ett pressmeddelande.

"Vi fastnar ofta i cykeln av att använda samma gamla mätningar - inte för att vi inte behöver nya typer av information eller kunskap, men eftersom det är dyrt och tidskrävande att utveckla tekniker, " sa Abbamonte. Det nya centret, han sa, kommer att tillåta forskare att driva kvantmätningens hölje genom att ta itu med större problem.

Exotiska intrasslade tillstånd

Kvantmaterial har fått sitt namn från det faktum att deras exotiska egenskaper härrör från elektroners samverkande beteende och andra fenomen som följer kvantmekanikens regler, snarare än de välbekanta newtonska fysikens lagar som styr vår vardagliga värld. Dessa material kan så småningom få en enorm inverkan på framtida energiteknik – till exempel, genom att låta människor överföra kraft utan förlust över långa avstånd och göra transporter mycket mer energieffektiva.

Men ett kvantmaterial kan innehålla en förvirrande blandning av exotiska, överlappande tillstånd av materia som är svåra att reda ut med konventionella verktyg.

"I kvantvärlden trasslar allt in, så gränserna för ett objekt börjar överlappa gränserna för ett annat, " sa SLAC professor Thomas Devereaux, en av sex forskare från SLAC och Stanford som samarbetar i det nya centret. "Vi kommer att undersöka denna förveckling med hjälp av olika verktyg och tekniker."

Kvantsensorer är inget nytt. De inkluderar supraledande kvantinterferensanordningar, eller SQUIDs, uppfanns för ett halvt sekel sedan för att upptäcka extremt små magnetfält, och supraledande övergångskantsensorer, som innehåller SQUIDS för att upptäcka utsökt små signaler inom astronomi, icke-spridning av kärnvapen, materialanalys och hembygdsförsvar.

På en grundläggande nivå, de fungerar genom att försätta sensorn i ett känt kvanttillstånd och låta den interagera med föremålet av intresse. Interaktionen förändrar tillståndet i kvantsystemet, och mätning av systemets nya tillstånd avslöjar information om objektet som inte kunde erhållas med konventionella metoder.

Qubits på ett tips

I en av teknikerna under utveckling, scanning qubit-mikroskopet, kvantsensorn skulle bestå av en eller flera qubits placerade på spetsen av en sond och flyttade över ytan av ett material. En qubit är en grundenhet för kvantinformation, som bitarna i vanligt datorminne som växlar fram och tillbaka mellan noll och 1. Men en qubit existerar som en överlagring av både noll- och 1-tillstånd på en gång. Skannerns qubit kan bestå av en enda väteatom, till exempel, med snurrandet av dess enda elektron som samtidigt existerar som uppåt, ner och alla möjliga tillstånd däremellan.

"Du kan försöka trassla in qubitsensorn med kvanttillståndet för materialet du studerar så att du faktiskt kan känna trasslingen av kvanttillstånd i materialet, sa Kathryn Moler, Stanfords vice provost och forskningsdekanus. "Om vi ​​kan göra det, det kommer bli riktigt coolt."