Snabbt kylande magnonpartiklar visar sig vara ett förvånansvärt effektivt sätt att skapa ett svårfångat kvanttillstånd av materia, kallas ett Bose-Einstein-kondensat. Upptäckten kan hjälpa till att främja kvantfysikforskningen och är ett steg mot det långsiktiga målet med kvantberäkning vid rumstemperatur.

Ett internationellt team av forskare har hittat ett enkelt sätt att utlösa ett ovanligt tillstånd av materia som kallas ett Bose-Einstein-kondensat. Den nya metoden, nyligen beskrivits i tidskriften Naturens nanoteknik , förväntas bidra till att främja forskning och utveckling av kvantberäkningar vid rumstemperatur.

Laget, ledd av fysiker vid Technische Universität Kaiserslautern (TUK) i Tyskland och Wiens universitet i Österrike, genererade Bose-Einstein-kondensatet (BEC) genom en plötslig temperaturförändring:först värmde upp kvasipartiklar långsamt, kyler sedan snabbt ner dem till rumstemperatur. De demonstrerade metoden med kvasipartiklar som kallas magnoner, som representerar mängden magnetiska excitationer för en fast kropp.

"Många forskare studerar olika typer av Bose-Einstein-kondensat, " sa professor Burkard Hillebrands från TUK, en av de ledande forskarna inom området BEC. "Det nya tillvägagångssättet vi utvecklat borde fungera för alla system."

Förbryllande och spontant

Bose-Einstein kondenserar, uppkallad efter Albert Einstein och Satyendra Nath Bose som först föreslog att de existerade, är en förbryllande typ av materia. De är partiklar som alla spontant beter sig på samma sätt på kvantnivå, i huvudsak bli en enhet. Ursprungligen användes för att beskriva idealiska gaspartiklar, Bose-Einstein kondensat har etablerats med atomer, såväl som med kvasipartiklar som bosoner, fononer och magnoner.

Att skapa Bose-Einstein-kondensat är knepigt eftersom, per definition, de måste uppstå spontant. Att skapa rätt förutsättningar för att generera kondensatet innebär att man inte försöker införa någon form av ordning eller koherens för att uppmuntra partiklarna att bete sig på samma sätt; det måste partiklarna göra själva.

För närvarande, Bose-Einstein kondensat bildas genom att sänka temperaturen till nära absolut noll, eller genom att injicera ett stort antal partiklar vid rumstemperatur i ett litet utrymme. Dock, rumstemperaturmetoden, som först rapporterades av Hillebrands och medarbetare 2005, är tekniskt komplext och endast ett fåtal forskarteam runt om i världen har den utrustning och den kunskap som krävs.

Den nya metoden är mycket enklare. Det kräver en värmekälla, och en liten magnetisk nanostruktur, mäter hundra gånger mindre än tjockleken på ett människohår.

"Våra senaste framsteg i miniatyriseringen av magnoniska strukturer till nanoskopisk skala gjorde det möjligt för oss att ta itu med BEC från ett helt annat perspektiv, " sa professor Andrii Chumak från universitetet i Wien.

Nanostrukturen värms långsamt upp till 200°C för att generera fononer, som i sin tur genererar magnoner med samma temperatur. Värmekällan är avstängd, och nanostrukturen kyls snabbt ner till rumstemperatur på ungefär en nanosekund. När detta händer, fononerna flyr till substratet, men magnonerna är för långsamma för att reagera, och förbli inuti den magnetiska nanostrukturen.

Michael Schneider, huvuduppsatsförfattare och en Ph.D. student i TUK:s Magnetism Research Group, förklarade varför detta händer:"När fononerna kommer ut, magnonerna vill minska energin för att hålla sig i jämvikt. Eftersom de inte kan minska antalet partiklar, de måste minska energin på något annat sätt. Så, de hoppar alla ner till samma låga energinivå."

Genom att alla spontant upptar samma energinivå, magnonerna bildar ett Bose-Einstein-kondensat.

"Vi har aldrig infört koherens i systemet, " Chumak sa, "så det här är ett mycket rent och tydligt sätt att skapa Bose-Einstein-kondensat."

Oväntat resultat

Som ofta är fallet inom vetenskapen, teamet gjorde upptäckten helt av en slump. De hade gett sig ut för att studera en annan aspekt av nanokretsar när konstiga saker började hända.

"Först trodde vi att något verkligen var fel med vårt experiment eller dataanalys, sa Schneider.

Efter att ha diskuterat projektet med medarbetare på TUK och i USA, de justerade några experimentella parametrar för att se om det konstiga faktiskt var ett Bose-Einstein-kondensat. De verifierade dess närvaro med spektroskopitekniker.

Fyndet kommer i första hand att intressera andra fysiker som studerar detta materiatillstånd. "Men att avslöja information om magnoner och deras beteende i en form av makroskopiskt kvanttillstånd vid rumstemperatur kan ha betydelse för strävan att utveckla datorer som använder magnoner som databärare, sa Hillebrands.