Met behulp van het natuurkundige equivalent van de stroboscoopfotografie die elke beweging van een cheeta in volle sprint vastlegt, onderzoekers hebben ultrasnelle spectroscopie gebruikt om de interactie van elektronen te visualiseren als een verborgen toestand van materie in een supergeleidende legering.

Het duurt intens, enkelvoudige pulsen van fotonen - flitsen - die de gekoelde legering raken met terahertz-snelheid - biljoenen cycli per seconde - om deze verborgen toestand van materie in te schakelen door kwantuminteracties op atomair en subatomair niveau te wijzigen.

En dan is er een tweede terahertz-licht nodig om een ​​ultrasnelle camera te activeren om beelden te maken van de toestand van de materie die, wanneer volledig begrepen en afgestemd, zou op een dag gevolgen kunnen hebben voor snellere, hittevrij, kwantumcomputers, informatieopslag en communicatie.

De ontdekking van dit nieuwe schakelschema en de verborgen kwantumfase zat vol conceptuele en technische uitdagingen.

Om nieuwe te vinden, opkomende elektronentoestanden van materie voorbij vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, de hedendaagse fysici van de gecondenseerde materie kunnen niet langer volledig vertrouwen op traditionele, traag, thermodynamische afstemmingsmethoden zoals veranderende temperaturen, druk, chemische samenstellingen of magnetische velden, zei Jigang Wang, een Iowa State University hoogleraar natuurkunde en astronomie en een faculteitswetenschapper aan het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy.

"De grote, open vraag welke staat er verborgen is onder supergeleiding is universeel, maar slecht begrepen "Zei Wang. "Sommige verborgen toestanden lijken ontoegankelijk te zijn met thermodynamische afstemmingsmethoden."

Het nieuwe kwantumschakelschema dat door de onderzoekers is ontwikkeld (ze noemen het terahertz light-quantum-tuning) gebruikt korte pulsen van biljoensten van een seconde op terahertz-frequentie om selectief te bombarderen, zonder verwarming, supergeleidend niobium-tin, die bij ultrakoude temperaturen stroom zonder weerstand kan geleiden. De flitsen schakelen de modelsamenstelling plotseling naar een verborgen toestand van materie.

Het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen heeft zojuist een paper gepubliceerd waarin de ontdekking wordt beschreven. Wang is corresponderend auteur. Leidende auteurs zijn Xu Yang en Chirag Vaswani, Iowa State afgestudeerde studenten in natuurkunde en astronomie.

In de meeste gevallen, exotische toestanden van materie, zoals beschreven in dit onderzoeksartikel, zijn onstabiel en van korte duur. In dit geval, de toestand van de materie is metastabiel, wat betekent dat het niet vervalt tot een stabiele toestand voor een orde van grootte langer dan andere, meer typische voorbijgaande toestanden van materie.

De hoge snelheid van de omschakeling naar een verborgen kwantumtoestand heeft daar waarschijnlijk iets mee te maken.

"Hier, de kwantumdoving (verandering) is zo snel, het systeem zit gevangen in een vreemd 'plateau' en weet niet hoe het terug moet, " zei Wang. "Met deze snelle blussing, maar niet-thermisch systeem, er is geen normale plek om naartoe te gaan."

Een resterende uitdaging voor de onderzoekers is om erachter te komen hoe de verborgen toestand kan worden gecontroleerd en verder gestabiliseerd en of deze geschikt is voor kwantumlogische bewerkingen, zei Wang. Dat zou onderzoekers in staat kunnen stellen de verborgen toestand te benutten voor praktische functies zoals kwantumcomputers en voor fundamentele tests van bizarre kwantummechanica.

Het begint allemaal met de ontdekking door de onderzoekers van een nieuw kwantumschakelschema dat hen toegang geeft tot nieuwe en verborgen toestanden van materie.

Zei Wang:"We creëren en beheersen een nieuwe kwantummaterie die op geen enkele andere manier kan worden bereikt."