Hur material beter sig beror på växelverkan mellan otaliga atomer. Du kan se detta som en gigantisk gruppchatt där atomer kontinuerligt utbyter kvantinformation. Forskare från Delfts tekniska universitet i samarbete med RWTH Aachen University och Research Centre Jülich har nu kunnat avlyssna en chatt mellan två atomer. De presenterar sina resultat i Vetenskap den 28 maj.

Atomer, självklart, pratar inte riktigt. Men de kan reagera på varandra. Detta är särskilt fallet för magnetiska atomer. "Varje atom bär på ett litet magnetiskt moment som kallas spinn. Dessa spinn påverkar varandra, som kompassnålar gör när du för dem nära varandra. Om du ger en av dem en knuff, de kommer att börja röra sig tillsammans på ett mycket specifikt sätt, " förklarar Sander Otte, ledare för det team som utförde forskningen. "Men enligt kvantmekanikens lagar, varje snurr kan samtidigt peka i olika riktningar, bildar en superposition. Detta innebär att faktisk överföring av kvantinformation sker mellan atomerna, som någon form av konversation."

Vass nål

På en stor skala, denna typ av informationsutbyte mellan atomer kan leda till fascinerande fenomen. Ett klassiskt exempel är supraledning:effekten där vissa material förlorar all elektrisk resistivitet under en kritisk temperatur. Även om det är väl förstått för de enklaste fallen, ingen vet exakt hur denna effekt uppstår i många komplexa material. Men det är säkert att magnetiska kvantinteraktioner spelar en nyckelroll. I syfte att försöka förklara fenomen som detta, forskare är mycket intresserade av att kunna avlyssna dessa utbyten; att höra samtalen mellan atomer.

I Ottes team går de till det här ganska direkt:de lägger bokstavligen två atomer bredvid varandra för att se vad som händer. Detta är möjligt tack vare ett scanningstunnelmikroskop:en anordning där en vass nål kan undersöka atomer en i taget och till och med kan ordna om dem. Forskarna använde den här enheten för att placera två titanatomer på ett avstånd av drygt en nanometer - en miljondels millimeter - från varandra. På det avståndet, atomerna kan bara upptäcka varandras spinn. Om du nu skulle vrida en av de två snurren, konversationen skulle börja av sig själv.

Vanligtvis, denna vridning utförs genom att sända mycket exakta radiosignaler till atomerna. Denna så kallade spinresonansteknik – som ganska påminner om arbetsprincipen för en MRI-skanner som finns på sjukhus – används framgångsrikt i forskning om kvantbitar. Detta verktyg är också tillgängligt för Delft-teamet, men det har en nackdel. "Det går helt enkelt för långsamt, säger doktoranden Lukas Veldman, huvudförfattare på Vetenskap offentliggörande. "Du har knappt börjat vrida det ena snurret innan det andra börjar rotera med. På så sätt kan du aldrig undersöka vad som händer när du placerar de två snurren i motsatta riktningar."

Oortodoxt förhållningssätt

Så forskarna försökte något oortodoxt:de inverterade snabbt spinn av en av de två atomerna med ett plötsligt utbrott av elektrisk ström. Till deras förvåning, detta drastiska tillvägagångssätt resulterade i en vacker kvantinteraktion, exakt enligt boken. Under pulsen, elektroner kolliderar med atomen, får dess spin att rotera. Otte:"Men vi har alltid antagit att under denna process, den känsliga kvantinformationen – den så kallade koherensen – gick förlorad. Trots allt, elektronerna är osammanhängande:historien för varje elektron före kollisionen är något annorlunda och detta kaos överförs till atomens spinn, förstöra all koherens."

Det faktum att detta nu inte verkar vara sant var anledning till en del debatt. Tydligen, varje slumpmässig elektron, oavsett dess förflutna, kan initiera en sammanhängande superposition:en specifik kombination av elementära kvanttillstånd som är fullt kända och som ligger till grund för nästan alla former av kvantteknologi.

Perfekt superposition

"Kruxet är att det beror på frågan du ställer, " argumenterar Markus Ternes, medförfattare från RWTH Aachen University och Research Centre Jülich. "Elektronen inverterar en atoms spinn och får den att peka, säga, till vänster. Du kan se detta som ett mått, raderar allt kvantminne. Men från synvinkeln av det kombinerade systemet som består av båda atomerna, den resulterande situationen är inte alls så vardaglig. För de två atomerna tillsammans, den nya staten utgör en perfekt superposition, möjliggör utbyte av information dem emellan. Avgörande för att detta ska hända är att båda snurren trasslar in sig:ett märkligt kvanttillstånd där de delar mer information om varandra än vad som är klassiskt möjligt."

Upptäckten kan vara av betydelse för forskning om kvantbitar. Kanske också i den forskningen kan du komma undan med att vara lite mindre försiktig när du initierar kvanttillstånd. Men för Otte och hans team är det mest utgångspunkten för ännu vackrare experiment. Veldman:"här använde vi två atomer, men vad händer när du använder tre? Eller tio, eller tusen? Ingen kan förutse det, eftersom datorkraften blir kort för sådana siffror. Kanske kommer vi en dag att kunna lyssna på kvantkonversationer som ingen någonsin kunde höra tidigare."