Als het gaat om het volledig begrijpen van de verborgen geheimen van kwantummaterialen, wat je zegt ben je zelf, wetenschappers zeggen:alleen tools die ook op kwantumprincipes werken, kunnen ons daar brengen.

Een nieuw onderzoekscentrum van het Department of Energy zal zich richten op de ontwikkeling van die tools. Gevestigd aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, het Center for Quantum Sensing en Quantum Materials brengt experts van UIUC samen, DOE's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University en de Universiteit van Illinois-Chicago.

Ze zullen werken aan de ontwikkeling van drie geavanceerde kwantumdetectieapparaten:een scanning qubit-microscoop, een spectroscopie-instrument dat gebruik maakt van paren verstrengelde elektronen en een ander instrument dat materialen zal onderzoeken met paren fotonen van SLAC's röntgenvrije-elektronenlaser, de Linac coherente lichtbron, die onlangs is heropend na een upgrade.

Met deze nieuwe technieken kunnen onderzoekers veel gedetailleerder zien waarom kwantummaterialen de rare dingen doen die ze doen, de weg vrijmaken voor het ontdekken van nieuwe kwantummaterialen en het uitvinden van nog gevoeligere sondes van hun gedrag.

Het werk zal zich richten op het begrijpen van de processen op atomair niveau achter onconventionele supergeleiders die elektriciteit geleiden zonder weerstand bij relatief hoge temperaturen; topologische isolatoren, die stroom voeren zonder verlies langs hun randen; en vreemde metalen, die supergeleidend zijn als ze gekoeld zijn, maar vreemde eigenschappen hebben bij hogere temperaturen.

"Wat opwindend is, is dat dit centrum ons de kans geeft om echt nieuwe kwantummeettechnieken te creëren voor het bestuderen van energierelevante kwantummaterialen, " centrum directeur Peter Abbamonte, een professor in de natuurkunde aan de UIUC, aldus in een persbericht.

"We raken vaak verstrikt in de cyclus van het gebruiken van dezelfde oude metingen - niet omdat we geen nieuwe soorten informatie of kennis nodig hebben, maar omdat het ontwikkelen van technieken duur en tijdrovend is, " zei Abbamonte. Het nieuwe centrum, hij zei, zullen wetenschappers in staat stellen de grenzen van kwantummeting te verleggen door grotere problemen aan te pakken.

Exotische verstrengelde staten

Kwantummaterialen danken hun naam aan het feit dat hun exotische eigenschappen voortkomen uit het coöperatieve gedrag van elektronen en andere verschijnselen die voldoen aan de regels van de kwantummechanica, in plaats van de bekende Newtoniaanse natuurwetten die onze dagelijkse wereld beheersen. Deze materialen kunnen uiteindelijk een enorme impact hebben op toekomstige energietechnologieën, bijvoorbeeld door mensen in staat te stellen stroom over lange afstanden vrijwel zonder verlies te transporteren en het transport veel energiezuiniger te maken.

Maar een kwantummateriaal kan een verwarrend mengsel van exotische, overlappende toestanden van materie die moeilijk op te lossen zijn met conventionele hulpmiddelen.

"In de kwantumwereld raakt alles verstrikt, dus de grenzen van het ene object beginnen te overlappen met de grenzen van een ander, " zei SLAC-professor Thomas Devereaux, een van de zes SLAC- en Stanford-onderzoekers die samenwerken in het nieuwe centrum. "We zullen deze verstrengeling onderzoeken met behulp van verschillende tools en technieken."

Quantumsensoren zijn niets nieuws. Ze omvatten supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten, of INKTVIS, een halve eeuw geleden uitgevonden om extreem kleine magnetische velden te detecteren, en supergeleidende overgangsrandsensoren, die SQUIDS bevatten om voortreffelijk kleine signalen in de astronomie te detecteren, nucleaire non-proliferatie, materiaalanalyse en vaderlandverdediging.

Op basisniveau is ze werken door de sensor in een bekende kwantumtoestand te brengen en deze te laten interageren met het object van interesse. De interactie verandert de toestand van het kwantumsysteem, en het meten van de nieuwe toestand van het systeem onthult informatie over het object die niet kon worden verkregen met conventionele benaderingen.

Qubits op een fooi

In een van de technologieën die in ontwikkeling zijn, de scanning qubit microscoop, de kwantumsensor zou bestaan ​​​​uit een of meer qubits die op de punt van een sonde worden geplaatst en over het oppervlak van een materiaal worden bewogen. Een qubit is een basiseenheid van kwantuminformatie, zoals de bits van het gewone computergeheugen die heen en weer gaan tussen nul en 1. Maar een qubit bestaat als een superpositie van zowel nul- als 1-toestanden tegelijk. De qubit van de scanner kan bestaan ​​uit een enkel waterstofatoom, bijvoorbeeld, met de spin van zijn enkele elektron tegelijkertijd bestaande als omhoog, naar beneden en alle mogelijke toestanden daartussenin.

"Je kunt proberen de qubit-sensor te verstrengelen met de kwantumtoestand van het materiaal dat je bestudeert, zodat je de verstrengeling van kwantumtoestanden in het materiaal kunt voelen, " zei Kathryn Moler, Vice-provoost van Stanford en onderzoeksdecaan. ‘Als we dat kunnen, het wordt echt gaaf."