Een onderzoeksgroep van de Bar-Ilan University, in samenwerking met Franse collega's van CNRS Grenoble, heeft een uniek experiment ontwikkeld om kwantumgebeurtenissen in ultradunne films te detecteren. Dit nieuwe onderzoek, te publiceren in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie , verbetert het begrip van fundamentele fenomenen die optreden in systemen van nanogrootte dichtbij de absolute nultemperatuur.

Overgangen, Fasen en kritieke punten

Een faseovergang is een algemene term voor fysieke verschijnselen waarbij een systeem van de ene toestand naar de andere overgaat als gevolg van het veranderen van de temperatuur. Alledaagse voorbeelden zijn de overgang van ijs naar water (vast naar vloeibaar) bij nul graden Celsius, en van water naar damp (vloeibaar naar gas) bij 100 graden.

De temperatuur waarbij de overgang plaatsvindt, wordt het kritieke punt genoemd. In de buurt van dit punt doen zich interessante natuurkundige verschijnselen voor. Bijvoorbeeld, als water wordt verwarmd, kleine gasgebieden beginnen zich te vormen en het water borrelt. Naarmate de temperatuur van de vloeistof naar het kritieke punt wordt verhoogd, neemt de grootte van de gasbellen toe. Naarmate de grootte van de bel vergelijkbaar wordt met de golflengte van licht, het licht wordt verstrooid en zorgt ervoor dat de normaal transparante vloeistof er "melkachtig" uitziet - een fenomeen dat bekend staat als kritische opalescentie.

In de afgelopen jaren heeft de wetenschappelijke gemeenschap een groeiende interesse getoond in kwantumfase-overgangen waarbij een systeem bij een temperatuur van het absolute nulpunt (-273 graden) tussen twee toestanden overgaat als gevolg van het manipuleren van een fysieke parameter zoals een magnetisch veld, druk of chemische samenstelling in plaats van temperatuur. Bij deze overgangen vindt de verandering niet plaats door de thermische energie die door verwarming aan het systeem wordt geleverd, maar eerder door kwantumfluctuaties. Hoewel het absolute nulpunt fysiek niet haalbaar is, kenmerken van de overgang kunnen worden gedetecteerd in het gedrag van het systeem bij zeer lage temperaturen nabij het kwantumkritieke punt. Dergelijke kenmerken omvatten "kwantumbellen" van de ene fase in de andere. De grootte en levensduur van deze kwantumbellen nemen toe naarmate het systeem is afgestemd op het kritieke punt, wat aanleiding geeft tot een kwantumequivalent van kritische opalescentie.

De theoretische voorspelling van een dergelijke kwantumkritiek werd een paar decennia geleden gegeven, maar hoe dit experimenteel te meten is een mysterie gebleven. Prof. Aviad Frydman van de afdeling Natuurkunde van de Bar-Ilan Universiteit en het Instituut voor Nanotechnologie en Geavanceerde Materialen, en zijn leerling Shachar Poran, samen met Dr. Olivier Bourgeois van CNRS Grenoble, voor het eerst het antwoord hebben gegeven.

Een Nano-trampoline maken

Bij normale faseovergangen is er een unieke meetbare grootheid die wordt gebruikt om een ​​kritisch punt te detecteren. Dit is de soortelijke warmte die de hoeveelheid warmte-energie meet die aan een systeem moet worden geleverd om de temperatuur met één graad te verhogen. Het verhogen van de temperatuur van een systeem met twee graden vereist twee keer de energie die nodig is om het met één graad te verhogen. Echter, in de buurt van een faseovergang is dit niet langer het geval. Veel van de energie wordt geïnvesteerd in het creëren van de bellen (of fluctuaties) en, daarom, er moet meer energie worden geïnvesteerd om een ​​vergelijkbare temperatuurverandering te genereren. Als resultaat, de soortelijke warmte stijgt nabij het kritieke punt en de meting ervan geeft informatie over de fluctuaties.

Het meten van soortelijke warmte van een systeem in de buurt van een kwantumkritisch punt vormt een veel grotere uitdaging. Ten eerste, de metingen moeten bij lage temperaturen worden uitgevoerd. Ten tweede, de onderzochte systemen zijn nanodunne lagen die uiterst gevoelige metingen vereisen. De groep van Frydman overwon deze obstakels door een uniek experimenteel ontwerp te ontwikkelen op basis van een dun membraan dat door zeer smalle bruggen in de lucht hangt, waardoor een "nano-trampoline" wordt gevormd. Deze opstelling maakte specifieke warmtemetingen van de dunne films mogelijk via een kwantumfaseovergang van een supergeleidende toestand naar een elektrisch isolerende toestand dichtbij het absolute nulpunt.

De meting van de groep van Frydman is de eerste in zijn soort. De resultaten tonen aan dat, net als in het geval van een thermische faseovergang, de soortelijke warmte neemt eveneens toe in de buurt van een kwantumkritisch punt, en kan worden gebruikt als een sonde voor kwantumkritiek. Dit werk zal naar verwachting een mijlpaal zijn in het begrip van fysieke processen die het gedrag van ultradunne systemen bij ultralage temperaturen bepalen.

Prof. Frydman presenteert dit onderzoek de komende weken op een aantal internationale conferenties. Het onderzoek werd ondersteund door het Laboratoire d'Excellence LANEF in Grenoble (ANR-10-LABX-51-01) voor Prof. Frydman.