Een zomerstage in Bilbao, Spanje, heeft geleid tot een artikel in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven voor Jack Mayo, een masterstudent aan de Rijksuniversiteit Groningen, Nederland. Hij heeft geholpen bij het creëren van een universeel model dat de nummerverdeling van topologische defecten in niet-evenwichtssystemen kan voorspellen. De resultaten kunnen worden toegepast op quantum computing en op studies naar het ontstaan ​​van structuur in het vroege heelal.

Mayo, student van het Top Master Programma in Nanoscience aan het Zernike Institute for Advanced Materials aan de Rijksuniversiteit Groningen, bracht zijn zomervakantie 2019 door aan de Baskische kust, ondergedompeld in theoretische natuurkunde. Het project waaraan hij deelnam vond plaats in de onderzoeksgroep onder leiding van professor Adolfo del Campo van het Donostia International Physics Centre (DIPC), en was gericht op het oplossen van een probleem in quantum computing, maar het heeft veel bredere implicaties, van magneten op nanoschaal tot de kosmos. In al deze systemen het begin van de bestelling (bijvoorbeeld orde veroorzaakt door afkoeling) gaat bijna altijd gepaard met de ontwikkeling van defecten. "Neem een ​​systeem waarin deeltjes een magnetisch moment hebben dat tussen op en neer kan draaien, " legt Mayo uit. "Als je hun aantrekkelijke interactie verhoogt, ze zullen beginnen op elkaar af te stemmen."

Ijskristallen

Deze uitlijning begint op bepaalde niet-gecorreleerde punten in een medium en groeit dan als ijskristallen in water. De uitlijning van elk domein (omhoog of omlaag in het voorbeeld van de magnetische momenten) is een kwestie van toeval. "Lokale afstemmingen zullen naar buiten groeien en in een bepaald stadium, domeinen zullen elkaar gaan ontmoeten en met elkaar omgaan, " zegt Mayo. Bijvoorbeeld, als een up-domein een down-domein ontmoet, het resultaat zal een domeinmuur zijn op hun interface - een symmetriedoorbrekend defect in de geordende structuur, een artefact van het materiaal achterlatend in zijn hogere symmetriefase.

Dit uitgloeien van een medium wordt beschreven door het Kibble-Zurek-mechanisme, oorspronkelijk ontworpen om uit te leggen hoe een faseovergang resulteerde in geordende structuren in het vroege heelal. Vervolgens werd ontdekt dat het kan worden gebruikt om de overgang van vloeibaar helium van een vloeibare naar een superfluïde fase te beschrijven. "Het mechanisme is universeel en wordt ook gebruikt in kwantumcomputing op basis van kwantumgloeien, ", legt Mayo uit. Deze technologie is al op de markt en is in staat om complexe puzzels op te lossen, zoals het handelsreizigersprobleem. een probleem bij dit soort werk is dat defecten die optreden tijdens het gloeiproces de resultaten vertekenen.

Faseovergangen

Het aantal defecten dat optreedt bij kwantumgloeien hangt af van de tijd die nodig is om de faseovergang te passeren. "Als je miljoenen jaren de tijd hebt om de interacties tussen eenheden langzaam te veranderen, je krijgt geen gebreken, maar dat is niet erg praktisch, ", merkt Mayo op. De truc is om tijdschema's te ontwerpen - en dus meer praktische - om een ​​acceptabel aantal defecten met een hoge waarschijnlijkheid te verkrijgen. Het onderzoeksproject waaraan hij deelnam, was gericht op het creëren van een model dat het aantal defecten kon schatten. en begeleiden van het optimale ontwerp van deze systemen.

Statistisch model

Om dit te doen, de natuurkundigen gebruikten theoretische hulpmiddelen om faseovergangen te beschrijven en numerieke simulaties om de defectverdeling tijdens afkoeling te schatten. Aangezien elk domein één van twee waarden kan hebben (omhoog of omlaag in het voorbeeld van de magnetische momenten), ze konden de kans inschatten dat twee tegengestelde domeinen elkaar ontmoeten en een defect veroorzaken. Dit leidde tot een statistisch model gebaseerd op binomiale verdeling, die kan worden gebruikt om te voorspellen hoe een systeem moet worden gekoeld om het kleinste aantal defecten te veroorzaken. Het model werd geverifieerd aan de hand van onafhankelijke numerieke simulaties en bleek goed te werken. Dit nieuwe model werd beschreven in een paper dat op 17 juni in werd gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven en ging vergezeld van een "Viewpoint" gepubliceerd in Physics, een commentaar op de resultaten door de onafhankelijke natuurkundige professor Smitha Vishveshwara van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.