Bose-Einstein-condensaten zijn macroscopische kwantumfasen van materie die alleen onder zeer bijzondere omstandigheden verschijnen. Meer leren over deze fasen van materie kan onderzoekers helpen een beter begrip te krijgen van fundamenteel kwantumgedrag en mogelijk bijdragen aan toekomstige kwantumtechnologie.

Dat is waarom Kate Ross en Ph.D. kandidaat Gavin Hester, onderzoekers van de Colorado State University, zijn bij het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) om een ​​materiaal genaamd ytterbiumsilicaat te onderzoeken. Ross gelooft dat ytterbiumsilicaat, het enige magnetische materiaal op basis van een zeldzaam aardelement dat sporen vertoont van een Bose-Einstein-condensaat, kan de sleutel zijn tot het begrijpen van kwantumverschijnselen in andere magneten op basis van zeldzame aardelementen. Door monsters van ytterbiumsilicaat te onderzoeken met neutronen, Ross hoopt een gedetailleerde kaart van dit unieke Bose-Einstein-condensaat te genereren en die kaart vervolgens te gebruiken om haar hypothese te valideren door exotische kwantumtoestanden in andere magnetische materialen te identificeren. Ross en haar medewerkers bespreken hun bevindingen in hun paper gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Als we een beter begrip kunnen krijgen van het Bose-Einstein-condensaat dat we in dit materiaal zien, dan zouden we die kennis mogelijk kunnen gebruiken om vergelijkbare kwantumtoestanden met veel lichamen te ontdekken in andere magnetische materialen op basis van zeldzame-aarde-elementen, " zei Roos.

Ross legt uit dat het Bose-Einstein-condensaat, ook bekend als een BEC-fase, is een kwantumvloeistof waarin deeltjes zich niet meer als individuele entiteiten gedragen en zich in plaats daarvan gedragen als golven die synchroon met elkaar over het weefsel van een enkele, verenigd systeem. Het is anders dan een solide, vloeistof, gas, of plasma en verschijnt alleen bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, of 0 K (ongeveer -460°F). Wetenschappers moeten nog veel leren over deze unieke toestand van materie, maar er is hoop dat de unieke eigenschappen ervan ooit kunnen bijdragen aan geavanceerde materialen.

"Er is geen direct verband tussen Bose-Einstein-condensaten en huidige voorstellen voor kwantumtechnologie. Maar we moeten ook veel leren over hoe dit materiaal zich gedraagt, en het beantwoorden van enkele van deze fundamentele vragen over kwantumverschijnselen zal de basis vormen voor toekomstige wetenschappelijke prestaties, ' zei Hester.

Voor starters, Lange tijd werd aangenomen dat Bose-Einstein-condensaten niet kunnen voorkomen in magnetische materialen op basis van zeldzame-aarde-elementen, omdat die specifieke magnetische interacties niet isotroop genoeg leken om een ​​BEC-fase te laten verschijnen. Maar, tijdens eerdere experimenten bewijs van een BEC-fase in ytterbiumsilicaat hebben waargenomen, Ross en haar team vermoeden dat deze veronderstelling onjuist zou kunnen zijn.

"We waren echt verrast toen we het bewijs voor een BEC-fase zagen. Het suggereert dat ytterbium een ​​veel veelzijdiger ingrediënt is voor het vormen van kwantumtoestanden met veel lichamen dan we eerder dachten, " zei Roos.

Om het vermogen van ytterbiumsilicaat om een ​​BEC-fase te hosten beter te begrijpen, Ross gebruikte het Cold Neutron Chopper Spectrometer-instrument, of CNCS, bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS) en de Fixed-Incident Energy Triple-Axis Spectrometer, of FIE-BELASTING, bij de High Flux Isotoop Reactor (HFIR) om gekristalliseerde monsters van ytterbiumsilicaat te onderzoeken. Aanvullende röntgen- en neutronenverstrooiingsmetingen werden uitgevoerd in het Argonne National Laboratory en het National Institute of Standards and Technology.

Deze experimenten zijn al bijna 4 jaar in de maak. De onderzoeksgroep van Ross begon in 2015 met het kweken van monsters van ytterbiumsilicaat en het in kaart brengen van het gedrag van dit materiaal. Met hun medewerkers, ze gebruikten verschillende sondes aan de Colorado State University en Sherbrooke University in Canada om een ​​eerste blik te werpen op het gedrag van het materiaal, maar ze wilden graag neutronenverstrooiing gebruiken om hun monsters te onderzoeken.

"Neutronen zijn diep doordringend, en terwijl ze door onze monsters gaan, roeren ze deze opkomende kwantumdeeltjes op zo'n manier dat we nauwkeurig kunnen meten hoe die deeltjes zich gedragen in de microstructuur van ytterbiumsilicaat, ' zei Hester.

Om hun monsters voor te bereiden op neutronenverstrooiing, Ross en haar medewerkers moesten elk afzonderlijk kristal snijden en uitlijnen, zodat elk in dezelfde richting was georiënteerd. Verder, Ross moest zowel haar ytterbiumsilicaatmonsters blootstellen aan een magnetisch veld als een speciale koelkamer gebruiken om ze naar een kille -459,28 ° F te brengen, die kouder is dan de interstellaire ruimte en heel dicht bij het absolute nulpunt.

"Het opzetten van dit experiment kostte veel werk, maar de gegevens die we kregen waren zeker de moeite waard, " zei Roos.

Ross en Hester hopen dat hun werk niet alleen licht zal werpen op hoe de BEC-fase van ytterbiumsilicaat uniek is, maar geeft onderzoekers ook een beter begrip van kwantumverschijnselen in het algemeen zoals ze voorkomen in andere magnetische materialen op basis van zeldzame aardelementen.

"We zijn zeker geïnteresseerd om meer te weten te komen over deze BEC-fase in ytterbiumsilicaat specifiek, maar we hopen dat wat we hier leren onze collega's ook zal helpen om meer kwantumtoestanden te ontdekken in op zeldzame aarde gebaseerde materialen. Dit fundamentele begrip is essentieel voor het vormen van de materiële platforms van toekomstige kwantumtechnologieën, " zei Roos.