Schroedingers katt med kvantpäls:I materialet LiHoF4 har fysiker från universiteten i Dresden och München upptäckt en ny kvantfasövergång där domänerna beter sig på ett kvantmekaniskt sätt. Kredit:C. Hohmann, MCQST
Oavsett om det är magneter eller supraledare, är material kända för sina olika egenskaper. Dessa egenskaper kan dock förändras spontant under extrema förhållanden. Forskare vid Technische Universität Dresden (TUD) och Technische Universität München (TUM) har upptäckt en helt ny typ av dessa fasövergångar. De uppvisar fenomenet kvantintrassling som involverar många atomer, vilket tidigare bara har observerats i ett fåtal atomers område. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature .
Ny päls för kvantkatten
Inom fysiken är Schroedingers katt en allegori för två av kvantmekanikens mest imponerande effekter:intrassling och superposition. Forskare från Dresden och München har nu observerat dessa beteenden i mycket större skala än hos de minsta partiklarna. Hittills har material som uppvisar egenskaper, som magnetism, varit kända för att ha så kallade domäner - öar där materialegenskaperna är homogent antingen av ett eller annat slag (föreställ dig att de är antingen svarta eller vita, till exempel).
Tittar på litium holmium fluorid (LiHoF4 ), har fysikerna nu upptäckt en helt ny fasövergång, där domänerna överraskande uppvisar kvantmekaniska egenskaper, vilket resulterar i att deras egenskaper blir intrasslade (är svarta och vita samtidigt). "Vår kvantkatt har nu en ny päls eftersom vi har upptäckt en ny kvantfasövergång i LiHoF4 som inte tidigare har varit känt att existera, säger Matthias Vojta, ordförande för teoretisk fasta tillståndsfysik vid TUD.
Fasövergångar och förveckling
Vi kan lätt observera de spontant förändrade egenskaperna hos ett ämne om vi tittar på vatten – vid 100 grader Celsius avdunstar det till en gas, vid noll grader Celsius fryser det till is. I båda fallen bildas dessa nya materiatillstånd som en konsekvens av en fasövergång där vattenmolekylerna omarrangerar sig och på så sätt förändrar materiens egenskaper. Egenskaper som magnetism eller supraledning uppstår som ett resultat av elektroner som genomgår fasövergångar i kristaller. För fasövergångar vid temperaturer som närmar sig absolut noll vid -273,15 grader Celsius, kommer kvantmekaniska effekter som intrassling och kvantfasövergångar in i bilden.
"Även om det finns mer än 30 år av omfattande forskning dedikerad till fasövergångar i kvantmaterial, hade vi tidigare antagit att fenomenet intrassling endast spelade en roll i mikroskopisk skala, där det bara involverar ett fåtal atomer åt gången." förklarar Christian Pfleiderer, professor i topologi av korrelerade system vid TUM.
Kvantintrassling är ett tillstånd där de intrasslade kvantpartiklarna existerar i ett delat överlagringstillstånd som tillåter vanligtvis ömsesidigt uteslutande egenskaper (t.ex. svart och vitt) att inträffa samtidigt. Kvantmekanikens lagar gäller i regel bara mikroskopiska partiklar. Forskarteamen från München och Dresden har nu lyckats observera effekter av kvanttrassling i mycket större skala, den av tusentals atomer. För detta har man valt att arbeta med den välkända föreningen LiHoF4 .
Sfäriska prover möjliggör precisionsmätningar
Vid mycket låga temperaturer, LiHoF4 fungerar som en ferromagnet där alla magnetiska moment spontant pekar i samma riktning. Om du sedan applicerar ett magnetfält exakt vertikalt mot den föredragna magnetiska riktningen kommer magnetmomenten att ändra riktning, vilket kallas fluktuationer. Ju högre magnetfältstyrkan är, desto starkare blir dessa fluktuationer, tills ferromagnetismen slutligen försvinner helt vid en kvantfasövergång. Detta leder till att närliggande magnetiska moment intrasslar. "Om du håller upp en LiHoF4 prov till en mycket stark magnet, slutar den plötsligt att vara spontanmagnetisk. Det här har varit känt i 25 år, säger Vojta.
Det som är nytt är vad som händer när man ändrar riktningen på magnetfältet. "Vi upptäckte att kvantfasövergången fortsätter att inträffa, medan man tidigare hade trott att även den minsta lutningen av magnetfältet omedelbart skulle undertrycka det", förklarar Pfleiderer. Under dessa förhållanden är det dock inte enskilda magnetiska moment utan snarare omfattande magnetiska områden, så kallade ferromagnetiska domäner, som genomgår dessa kvantfasövergångar. Domänerna utgör hela öar av magnetiska moment som pekar i samma riktning.
"Vi har använt sfäriska prover för våra precisionsmätningar. Det var det som gjorde det möjligt för oss att exakt studera beteendet vid små förändringar i magnetfältets riktning", tillägger Andreas Wendl, som genomförde experimenten som en del av sin doktorsavhandling.
Från grundläggande fysik till tillämpningar
"Vi har upptäckt en helt ny typ av kvantfasövergångar där intrassling sker i skalan av många tusen atomer istället för bara i mikrokosmos av bara ett fåtal", förklarar Vojta. "Om du föreställer dig de magnetiska domänerna som ett svart-vitt mönster, leder den nya fasövergången till att antingen de vita eller de svarta områdena blir oändligt små, det vill säga skapar ett kvantmönster, innan de löses upp helt." En nyutvecklad teoretisk modell förklarar framgångsrikt data som erhållits från experimenten.
"För vår analys generaliserade vi befintliga mikroskopiska modeller och tog även hänsyn till återkopplingen från de stora ferromagnetiska domänerna till de mikroskopiska egenskaperna", säger Heike Eisenlohr, som utförde beräkningarna som en del av sin doktorsexamen. avhandling.
Upptäckten av de nya kvantfasövergångarna är viktig som en grund och generell referensram för forskning om kvantfenomen i material, såväl som för nya tillämpningar. "Quantum intrassling tillämpas och används i tekniker som kvantsensorer och kvantdatorer, bland annat", säger Vojta. Pfleiderer tillägger, "Vårt arbete är inom området grundforskning, vilket dock kan ha en direkt inverkan på utvecklingen av praktiska tillämpningar, om man använder materialens egenskaper på ett kontrollerat sätt." + Utforska vidare
