Vědci z Harvardu pozorují nový stav hmoty, kvantovou spinovou kapalinu

Exotický stav hmoty původně předpokládaný před téměř 50 lety byl poprvé pozorován. Tento materiál zvaný kvantová spinová kapalina vytvořený výzkumníky z Harvardu by mohl nakonec pomoci vylepšit kvantové počítače.

Aby se materiály staly magnetickými, musí být spiny elektronů v materiálu vysoce uspořádané. Nejběžnější typ magnetismu, jak je vidět na vaší lednici, funguje, protože rotace všech elektronů v materiálu se zarovnávají stejným směrem. Jiné typy magnetismu mohou vzniknout, když se rotace sousedních elektronů střídají nahoru a dolů v šachovnicovém vzoru – stále to funguje, dokud je řád.

Ale v roce 1973 fyzik Philip Anderson předpokládal stav hmoty nazývaný kvantové spinové kapaliny, který by se neřídil těmito pravidly. Když se materiál ochladí, nevytvoří pevnou látku a co je důležité, jejich elektrony se nestabilizují do vysoce uspořádaného stavu. Místo toho by se neustále přepínaly a vzájemně se zaplétaly do složitého kvantového stavu.

Nyní tým vědců vedený Harvardem poprvé vytvořil a pozoroval kvantovou spinovou kapalinu. Vědci k tomu použili programovatelný kvantový simulátor, který vyvinuli před několika lety a který pomocí laserů zavěšuje 219 atomů do mřížky. Vlastnosti těchto atomů lze pečlivě manipulovat, včetně spinů jejich elektronů.

Pro tuto studii tým uspořádal atomy do trojúhelníkové mřížky, což znamená, že každý má dva bezprostřední sousedy. Dvojice elektronů se může magneticky stabilizovat tak či onak, protože jejich rotace se mohou buď vyrovnávat, nebo střídat – ale třetí kolo tuto rovnováhu naruší a vytvoří „frustrovaný magnet“, který se nemůže usadit.

Výsledná kvantová spinová kapalina vykazuje několik užitečných kvantových jevů, jako je zapletení – kde se atomy mohou navzájem ovlivňovat na obrovské vzdálenosti a dokonce „teleportovat“ informace – a kvantová superpozice, kdy atomy mohou existovat ve více stavech najednou. Oba jsou užitečné pro stavbu kvantových počítačů, které by měly být odolnější vůči vnějšímu rušení.

„Ukazujeme úplně první kroky, jak vytvořit tento topologický qubit, ale stále potřebujeme ukázat, jak jej můžete skutečně kódovat a manipulovat s ním,“ říká Giulia Semeghini, hlavní autorka studie. „Teď je toho k prozkoumání mnohem víc.“

Výzkum byl publikován v časopise Věda.

Zdroj: Harvard