Natuurkundigen die het vreemde gedrag bestuderen van metaallegeringen die zware fermionen worden genoemd, hebben een verrassende ontdekking gedaan die nuttig kan zijn bij het beschermen van de informatie die is opgeslagen in kwantumbits, of qubits, de basiseenheden van gecodeerde informatie in kwantumcomputers.

In een studie in de Proceedings van de National Academy of Sciences , onderzoekers van Rice University en de Technische Universiteit van Wenen (TU Wien) in Oostenrijk onderzochten het gedrag van een intermetallisch kristal van cerium, palladium en silicium omdat het werd blootgesteld aan extreme kou en een sterk magnetisch veld. Tot hun verbazing, ze ontdekten dat ze het kwantumgedrag van het materiaal op twee unieke manieren konden transformeren, een waarin elektronen wedijveren om orbitalen te bezetten en een andere waarin ze wedijveren om spintoestanden te bezetten.

"Het effect is zo uitgesproken bij de ene vrijheidsgraad dat het uiteindelijk de andere bevrijdt, " zei Rice's Qimiao Si, co-corresponderende auteur van de studie en de directeur van het Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Je kunt het systeem in wezen afstemmen om de schade aan een van deze te maximaliseren, het verlaten van de andere goed gedefinieerd."

Si zei dat het resultaat belangrijk kan zijn voor bedrijven als Google, IBM, Intel en anderen die met elkaar concurreren om kwantumcomputers te ontwikkelen. In tegenstelling tot de huidige digitale computers, die elektriciteit of licht gebruiken om stukjes informatie te coderen, kwantumcomputers gebruiken de kwantumtoestanden van subatomaire deeltjes zoals elektronen om informatie in qubits op te slaan. Een praktische kwantumcomputer zou op veel manieren beter kunnen presteren dan zijn digitale tegenhanger, maar de technologie staat nog in de kinderschoenen, en een van de belangrijkste obstakels is de kwetsbaarheid van de kwantumtoestanden binnen de qubits.

"Je hebt een goed gedefinieerde kwantumtoestand nodig als je er zeker van wilt zijn dat de informatie die in een qubit is opgeslagen niet verandert door achtergrondinterferentie, ' zei Si.

Elk elektron werkt als een draaiende magneet, en de spin wordt beschreven in een van de twee waarden, op of neer. In veel qubit-ontwerpen, informatie is gecodeerd in deze spins, maar deze toestanden kunnen zo kwetsbaar zijn dat zelfs kleine hoeveelheden licht, warmte, trillingen of geluid kunnen ervoor zorgen dat ze van de ene toestand naar de andere gaan. Het minimaliseren van de informatie die verloren gaat door een dergelijke "decoherentie" is een grote zorg bij het ontwerpen van qubits, zei Si.

In de nieuwe studie Si werkte samen met een oude medewerker Silke Paschen van de TU Wien om een ​​materiaal te bestuderen waarbij de kwantumtoestanden van elektronen niet alleen in termen van hun spins, maar ook in termen van hun orbitalen werden vervormd.

"We hebben een systeem ontworpen, gerealiseerd in sommige theoretische modellen en tegelijkertijd gerealiseerd in een materiaal, waar spins en orbitalen bijna op gelijke voet staan ​​en sterk aan elkaar gekoppeld zijn, " hij zei.

Uit eerder onderzoek in 2012 Si, Paschen en collega's wisten dat elektronen in de verbinding zo sterk kunnen interageren dat het materiaal een dramatische verandering zou ondergaan bij een kritiek koude temperatuur. Aan weerszijden van dit "kwantumkritische punt, " elektronen in sleutelorbitalen zouden zichzelf op een heel andere manier rangschikken, waarbij de verschuiving uitsluitend plaatsvindt vanwege de kwantuminteracties daartussen.

De eerdere studie beriep zich op een bekende theorie die Si en medewerkers in 2001 ontwikkelden en die voorschrijft hoe de spins van deze gelokaliseerde elektronen, die deel uitmaken van atomen in de legering, sterk koppelen met vrij stromende geleidingselektronen op het kwantumkritische punt. Volgens deze "lokale kwantumkritische" theorie, als het materiaal wordt afgekoeld en het kritieke punt nadert, de spins van gelokaliseerde elektronen en geleidingselektronen beginnen te concurreren om bepaalde spintoestanden te bezetten. Het kwantumkritieke punt is het kantelpunt waar deze competitie de geordende rangschikking van de gelokaliseerde elektronen vernietigt en in plaats daarvan volledig verstrikt raken met de geleidingselektronen.

Hoewel Si al bijna 20 jaar kwantumkritiek bestudeert, hij was verrast door de resultaten van Paschens laatste experimenten.

"De nieuwe gegevens waren voor ons allemaal verbijsterend, "zei hij. "Dat wil zeggen, totdat we ons realiseerden dat het systeem niet alleen spins bevatte, maar ook orbitalen als actieve vrijheidsgraden."

Met dat besef, Het team van Si, waaronder Rice afgestudeerde student Ang Cai, bouwde een theoretisch model dat zowel de spins als orbitalen bevat. Hun gedetailleerde analyse van het model onthulde een verrassende vorm van kwantumkritiek die een duidelijk begrip van de experimenten opleverde.

"Het was een schok voor mij, zowel vanuit het theoretische modelperspectief als de experimenten, " zei hij. "Ook al is dit een soep van dingen - spins, orbitalen die allemaal sterk aan elkaar en aan achtergrondgeleidingselektronen zijn gekoppeld - we zouden twee kwantumkritieke punten in dit ene systeem kunnen oplossen onder het afstemmen van één parameter, dat is het magnetische veld. En op elk van de kwantumkritieke punten, alleen de spin of de orbitaal drijft de kwantumkritiek aan. De ander is min of meer een omstander."