Onderzoekers van de Universiteit van Genève (UNIGE) en multi-institutionele medewerkers hebben BACOVO bestudeerd, een eendimensionaal kwantummateriaal. Ze melden dat het materiaal een nieuwe topologische faseovergang vertoont die wordt bepaald door twee soorten topologische excitatie. In aanvulling, ze waren in staat om te kiezen welke van de twee typen de andere zou domineren. Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

De onderzoekers putten uit het werk van de Nobelprijswinnaars voor natuurkunde 2016, David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz. De drie natuurkundigen voorspelden dat een reeks topologische excitaties in een kwantummateriaal waarschijnlijk een faseovergang zal induceren. Er zijn talloze theorieën ontwikkeld over deze topologische excitaties, inclusief de haalbaarheid van het combineren van twee ervan in een enkel materiaal. Maar is dat een reële mogelijkheid? En als het zo is, wat zou er gebeuren? De teams van UNIGE en CEA, CNRS en UGA waren in staat om de eerste experimentele bevestiging te geven van de theorie die het bestaan ​​van twee gelijktijdige sets van topologische excitaties en de concurrentie daartussen voorspelde. De bevindingen vormen een kleine revolutie in de mysterieuze wereld van kwantumeigenschappen.

De onderzoekers van CEA, CNRS, en Université Grenoble Alpes werkten aan een eendimensionaal antiferromagnetisch materiaal met bijzondere eigenschappen:BACOVO (BaCo ₂ V ₂ O ₈ ). "We hebben verschillende experimenten uitgevoerd op BACOVO, een oxide dat wordt gekenmerkt door zijn spiraalvormige structuur, " schreven de onderzoekers. Maar de experimentele resultaten wezen op een raadselachtige faseovergang - daarom deed het team een ​​beroep op Thierry Giamarchi, een professor in de afdeling Quantum Matter Physics in de Faculteit Wetenschappen van UNIGE.

Giamarchi zegt, "Op basis van hun resultaten, we hebben theoretische kaders opgesteld die ze kunnen interpreteren. Deze theoretische modellen werden vervolgens opnieuw getest met behulp van nieuwe experimenten, zodat ze konden worden gevalideerd."

Het doel was om te begrijpen hoe de kwantumeigenschappen van BACOVO werken, vooral hun topologische excitaties. Quentin Fauré, PhD student aan het Institute for Nanoscience and Cryogenics (CEA/UGA) en Néel Institute, zegt, "Voor dit doeleinde, we gebruikten neutronenverstrooiing, wat betekent dat we een neutronenstraal op het materiaal hebben gestuurd. De neutronen gedragen zich als kleine magneten die interageren met die van BACOVO, volgens een strategie die wordt gekenmerkt als 'verstoren om te onthullen, " helpt ons hun eigenschappen te begrijpen." Wanneer het bij UNIGE ontwikkelde model overeenkomt met het experiment, het wordt het standaardmodel van het materiaal. Professor Giamarchi zegt:"Het model dat we met Shintaro Takayoshi hebben opgesteld, voorspelde precies de uitkomst van het experiment."

Maar dit experiment leidde ook tot een ontdekking die de wetenschappers niet hadden verwacht. "Na de afwikkeling van het standaardmodel voor BACOVO, we observeerden onverwachte eigenschappen, " zegt Shintaro Takayoshi, onderzoeker bij de afdeling Quantum Matter Physics van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE. Wanneer geplaatst in een magnetisch veld, BACOVO ontwikkelt een tweede reeks topologische excitaties die in competitie zijn met de eerste, het bevestigen van theorieën uit de jaren zeventig en tachtig, georganiseerd rond het veld dat werd geopend door het werk van de Nobel-wetenschappers. "Naast het bestaan ​​van deze confrontatie tussen twee sets van topologische excitaties binnen hetzelfde materiaal - een ongekende gebeurtenis - waren we in staat om experimenteel te controleren welke set de andere zou domineren, ", voegt Takayoshi toe.

Wat oorspronkelijk een theoretische hypothese was, werd een geverifieerd experiment. De diepgaande analyse van BACOVO uitgevoerd door de natuurkundigen bewees dat twee sets topologische excitaties in hetzelfde materiaal in directe confrontatie komen en de toestand van de materie beheersen, die verschilt volgens de dominante set, wat een kwantumfaseovergang oplevert. Verder, de wetenschappers zijn erin geslaagd te controleren welke verzameling de overhand heeft, wat betekent dat ze de toestand van BACOVO naar believen konden aanpassen. "Deze resultaten openen een heel scala aan mogelijkheden op het gebied van kwantumfysisch onderzoek, " concludeert professor Giamarchi. "Het is waar dat we ons nog steeds op het fundamentele niveau bevinden, maar door dit soort ontdekkingen komen we elke dag dichter bij toepassingen voor de kwantumeigenschappen van materialen - en waarom geen kwantumcomputers?"