Międzynarodowy zespół badaczy, w tym niektórzy z Uniwersytetu w Bonn, zademonstrował egzotyczny stan kwantowy materii
Jak struktura może się trzymać razem, jeśli jej poszczególne komponenty w rzeczywistości się odpychają? Międzynarodowy zespół badawczy zademonstrował teraz jeden przykład tak wysoce pobudzonego egzotycznego stanu kwantowego materii. Naukowcy z Uniwersytetu w Bonn odegrali ważną rolę w badaniu. Wyniki zostały teraz opublikowane w czasopiśmie „Nature”.
Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra i pewnej liczby ujemnie naładowanych elektronów. Tworzą stabilny obiekt, ponieważ jądro i elektrony przyciągają się.
Tę samą zasadę działania można zaobserwować również w interakcji wielu cząsteczek: na przykład w ciałach, które są stałe w temperaturze pokojowej, poszczególne cząsteczki są utrzymywane w określonych pozycjach przez siły wiążące. Zapewnia to, że ciało stałe pozostaje „w kształcie” i nie chlupocze jak ciecz, na przykład. Jednym z przykładów jest sól kuchenna (chlorek sodu), która tworzy kryształ w temperaturze pokojowej. Jej dodatnio naładowane jony sodu i ujemnie naładowane jony chlorkowe przyciągają się nawzajem.
Dlatego może być zaskakujące, że nawet siły odpychające mogą tworzyć stabilne obiekty. „W tym przypadku siła wiązania powstaje, ponieważ złożony obiekt jest silnie pobudzony i nie jest w stanie rozproszyć swojej energii” — wyjaśnia profesor Corinna Kollath z zespołu Theoretical Quantum Physics na Uniwersytecie w Bonn. Ponieważ obiekt nie jest w stanie zredukować swojej energii, jego składniki są ze sobą związane. Ten mechanizm wchodzi w grę tylko wtedy, gdy obiekt prawie nie wymienia energii ze swoim otoczeniem.
„W przypadku ciał stałych, które mają liczne składniki, takie jak elektrony i jądra, inżynieria wystarczającego stopnia izolacji, aby osiągnąć stany odpychająco związane, była uważana za niemożliwą” — mówi profesor Kollath, który jest również członkiem Matter Transdisciplinary Research Area i ML4Q Cluster of Excellence na Uniwersytecie w Bonn. Fizyk jest częścią międzynarodowego zespołu badawczego, który odkrył teraz specyficzne wiązanie — znane jako BaCo2V2O8 — w którym można zaobserwować ten egzotyczny, wysoce wzbudzony stan kwantowy materii.
Naukowcy wykorzystali fale świetlne terahercowe do wzbudzenia spinów elektronów w tym wiązaniu („spin” oznacza tutaj wewnętrzny moment pędu niesiony przez cząstki) poprzez poddanie BaCo2V2O8 niezwykle silnemu polu magnetycznemu o natężeniu do 60 Tesli. Oprócz wzbudzenia quasi-cząstek magnetycznych przy niskich poziomach energii („magnon”) zidentyfikowali również stany związane dwu- i trzy-magnonowe jako wzbudzenia wysokoenergetyczne.
Magnon jest kwazicząstką, którą w języku laika można rozumieć jako spin skierowany w kierunku przeciwnym do wszystkich innych spinów. To fale świetlne terahercowe powodują, że spin odwraca swoją orientację. Związane stany dwu- i trzy-magnonowe składają się zatem odpowiednio z dwóch lub trzech takich odwróconych spinów, które są utrzymywane razem przez odpychające oddziaływanie. Naukowcy z Uniwersytetu w Bonn przeanalizowali dane z eksperymentów i zidentyfikowali oraz scharakteryzowali różne stany związane.
„Badanie to jest pierwszym dowodem na to, że odpychająco związane stany można zaobserwować w układzie ciała stałego” – podkreśla Corinna Kollath. Dodaje jednak, że nadal potrzebne są pewne podstawowe badania, aby zrozumieć, w jaki sposób te egzotyczne stany powstają w bardziej złożonych układach kwantowych. Autorzy spodziewają się, że eksploracja potencjalnych zastosowań tych stanów związanych, w szczególności w dziedzinie technologii informacji kwantowej, zajmie kilka lat.
