Ze zijn zo dun als een haar, slechts honderdduizend keer dunner - zogenaamde tweedimensionale materialen, bestaande uit een enkele laag atomen, zijn al jaren booming in onderzoek. Ze werden bekend bij een breder publiek toen twee Russisch-Britse wetenschappers in 2010 de Nobelprijs voor de natuurkunde kregen voor de ontdekking van grafeen, een bouwsteen van grafiet. Het bijzondere van dergelijke materialen is dat ze nieuwe eigenschappen hebben die alleen kunnen worden verklaard met behulp van de wetten van de kwantummechanica en die relevant kunnen zijn voor geavanceerde technologieën. Onderzoekers van de Universiteit van Bonn (Duitsland) hebben nu ultrakoude atomen gebruikt om nieuwe inzichten te krijgen in voorheen onbekende kwantumverschijnselen. Ze ontdekten dat de magnetische ordeningen tussen twee gekoppelde dunne films van atomen met elkaar concurreren. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Kwantumsystemen realiseren zeer unieke toestanden van materie afkomstig uit de wereld van nanostructuren. Ze faciliteren een breed scala aan nieuwe technologische toepassingen, bijv. bijdragen aan veilige gegevensversleuteling, steeds kleinere en snellere technische apparaten introduceren en zelfs de ontwikkeling van een kwantumcomputer mogelijk maken. In de toekomst, zo'n computer zou problemen kunnen oplossen die conventionele computers niet of slechts gedurende een lange periode kunnen oplossen.

Hoe ongewone kwantumverschijnselen ontstaan, is nog lang niet volledig begrepen. Om hier licht op te werpen, een team van natuurkundigen onder leiding van Prof. Michael Köhl van het Matter and Light for Quantum Computing Cluster of Excellence aan de Universiteit van Bonn gebruikt zogenaamde kwantumsimulators, die de interactie van verschillende kwantumdeeltjes nabootsen - iets dat niet kan worden gedaan met conventionele methoden. Zelfs state-of-the-art computermodellen kunnen complexe processen zoals magnetisme en elektriciteit niet tot in het kleinste detail berekenen.

Ultrakoude atomen simuleren vaste stoffen

De simulator die door de wetenschappers wordt gebruikt, bestaat uit ultrakoude atomen - ultrakoud omdat hun temperatuur slechts een miljoenste graad boven het absolute nulpunt ligt. De atomen worden afgekoeld met behulp van lasers en magnetische velden. De atomen bevinden zich in optische roosters, d.w.z. staande golven gevormd door laserstralen op elkaar te leggen. Op deze manier, de atomen simuleren het gedrag van elektronen in vaste toestand. De experimentele opstelling stelt de wetenschappers in staat om een ​​breed scala aan experimenten uit te voeren zonder externe aanpassingen.

Binnen de kwantumsimulator de wetenschappers hebben Voor de eerste keer, slaagde erin de magnetische correlaties van precies twee gekoppelde lagen van een kristalrooster te meten. "Via de kracht van deze koppeling, we waren in staat om de richting waarin magnetisme zich vormt 90 graden te roteren - zonder het materiaal op een andere manier te veranderen, " eerste auteurs Nicola Wurz en Marcell Gall, promovendi in de onderzoeksgroep van Michael Köhl, leg uit.

Om de verdeling van atomen in het optische rooster te bestuderen, de natuurkundigen gebruikten een hogeresolutiemicroscoop waarmee ze magnetische correlaties tussen de afzonderlijke roosterlagen konden meten. Op deze manier, ze onderzochten de magnetische orde, dat wil zeggen de onderlinge uitlijning van de atomaire magnetische momenten in de gesimuleerde vaste toestand. Ze merkten op dat de magnetische volgorde tussen lagen concurreerde met de oorspronkelijke volgorde binnen een enkele laag, concluderen dat de sterkere lagen waren gekoppeld, hoe sterker de correlaties tussen de lagen. Tegelijkertijd, correlaties binnen individuele lagen werden verminderd.

De nieuwe resultaten maken het mogelijk om het magnetisme dat zich voortplant in de gekoppelde laagsystemen op microscopisch niveau beter te begrijpen. In de toekomst, de bevindingen moeten helpen voorspellingen te doen over materiaaleigenschappen en nieuwe functionaliteiten van vaste stoffen te bereiken, onder andere. Sinds, bijvoorbeeld, supergeleiding bij hoge temperaturen is nauw verbonden met magnetische koppelingen, de nieuwe bevindingen kunnen, op lange termijn, bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën op basis van dergelijke supergeleiders.

The Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence

Het Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) Cluster of Excellence is een onderzoekssamenwerking van de universiteiten van Keulen, Aken en Bonn, evenals het Forschungszentrum Jülich. Het wordt gefinancierd als onderdeel van de Excellence Strategy van de Duitse federale en deelstaatregeringen. Het doel van ML4Q is om nieuwe computer- en netwerkarchitecturen te ontwikkelen met behulp van de principes van de kwantummechanica. ML4Q bouwt voort op en breidt de complementaire expertise uit in de drie belangrijkste onderzoeksgebieden:vastestoffysica, kwantum optica, en kwantuminformatiewetenschap.

De Cluster of Excellence is ingebed in het transdisciplinaire onderzoeksgebied "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions" aan de Universiteit van Bonn. In zes verschillende TRA's, wetenschappers uit een breed scala aan faculteiten en disciplines werken samen aan toekomstrelevante onderzoeksthema's.