De är tunna som ett hår, bara hundratusen gånger tunnare-så kallade tvådimensionella material, som består av ett enda lager av atomer, har blomstrat inom forskning i åratal. De blev kända för en bredare publik när två rysk-brittiska forskare fick Nobelpriset i fysik 2010 för upptäckten av grafen, en byggsten av grafit. Det speciella med sådana material är att de har nya egenskaper som bara kan förklaras med hjälp av kvantmekanikens lagar och som kan vara relevanta för förbättrad teknik. Forskare vid universitetet i Bonn (Tyskland) har nu använt ultrakylda atomer för att få ny inblick i tidigare okända kvantfenomen. De fick reda på att de magnetiska ordningarna mellan två kopplade tunna filmer av atomer konkurrerar med varandra. Studien har publicerats i tidskriften Natur .

Kvantsystem inser mycket unika tillstånd av materia som härstammar från nanostrukturernas värld. De underlättar en mängd olika nya tekniska tillämpningar, t.ex. bidrar till säker datakryptering, introducera allt mindre och snabbare tekniska enheter och till och med möjliggöra utveckling av en kvantdator. I framtiden, en sådan dator skulle kunna lösa problem som konventionella datorer inte alls kan lösa eller bara under en lång tid.

Hur ovanliga kvantfenomen uppstår är fortfarande långt ifrån fullt förstått. För att belysa detta, ett team av fysiker under ledning av professor Michael Köhl vid Matter and Light for Quantum Computing Cluster of Excellence vid University of Bonn använder så kallade kvantsimulatorer, som efterliknar samspelet mellan flera kvantpartiklar - något som inte kan göras med konventionella metoder. Även toppmoderna datormodeller kan inte beräkna komplexa processer som magnetism och elektricitet in i minsta detalj.

Ultraljudatomer simulerar fasta ämnen

Simulatorn som används av forskarna består av ultrakylda atomer - ultrakolda eftersom deras temperatur bara är en miljonedel grad över den absoluta nollan. Atomerna kyls ner med hjälp av lasrar och magnetfält. Atomerna finns i optiska gitter, dvs stående vågor bildade av överlagring av laserstrålar. Den här vägen, atomerna simulerar elektronernas beteende i fast tillstånd. Den experimentella installationen gör det möjligt för forskarna att utföra en mängd olika experiment utan externa modifieringar.

Inom kvantsimulatorn forskarna har, för första gången, lyckades mäta de magnetiska korrelationerna mellan exakt två kopplade lager av ett kristallgitter. "Via styrkan i denna koppling, vi kunde rotera i vilken riktning magnetism bildas i 90 grader - utan att ändra materialet på något annat sätt, "första författarna Nicola Wurz och Marcell Gall, doktorander i Michael Köhls forskargrupp, förklara.

För att studera fördelningen av atomer i det optiska gallret, fysikerna använde ett högupplöst mikroskop med vilket de kunde mäta magnetiska korrelationer mellan de enskilda gitterskikten. På det här sättet, de undersökte den magnetiska ordningen, dvs den inbördes inriktningen av de atommagnetiska momenten i det simulerade fasta tillståndet. De observerade att den magnetiska ordningen mellan skikten konkurrerade med den ursprungliga ordningen inom ett enda lager, slutsatsen att de starkare skikten var kopplade, de starkare korrelationer som bildas mellan skikten. På samma gång, korrelationer inom enskilda lager reducerades.

De nya resultaten gör det möjligt att bättre förstå magnetismen som sprider sig i de kopplade lagersystemen på mikroskopisk nivå. I framtiden, resultaten är att hjälpa till att göra förutsägelser om materialegenskaper och uppnå nya funktioner i fasta ämnen, bland annat. Eftersom, till exempel, supraledning vid hög temperatur är nära kopplad till magnetiska kopplingar, de nya fynden kan, i det långa loppet, bidra till utvecklingen av ny teknik baserad på sådana superledare.

The Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence

The Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence är ett forskningssamarbete från universitetet i Köln, Aachen och Bonn, liksom Forschungszentrum Jülich. Det finansieras som en del av de tyska federala och statliga regeringarnas excellensstrategi. Målet med ML4Q är att utveckla nya datorer och nätverksarkitekturer med hjälp av kvantmekanikens principer. ML4Q bygger på och utökar den kompletterande expertisen inom de tre nyckelforskningsområdena:solid-state physics, kvantoptik, och kvantinformationsvetenskap.

Cluster of Excellence är inbäddad i det tvärvetenskapliga forskningsområdet "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions" vid universitetet i Bonn. I sex olika TRA, forskare från ett brett spektrum av fakulteter och discipliner samlas för att arbeta med framtidsrelevanta forskningsämnen.