Soms lopen de zaken een beetje uit de hand, en het blijkt precies te zijn wat je nodig hebt.

Dat was het geval toen orthoferrietkristallen opdoken in een laboratorium van de Rice University, enigszins verkeerd uitgelijnd. Die kristallen werden onbedoeld de basis van een ontdekking die zou moeten resoneren met onderzoekers die op spintronica gebaseerde kwantumtechnologie bestuderen.

Rijstfysicus Junichiro Kono, alumnus Takuma Makihara en hun medewerkers vonden een orthoferrietmateriaal, in dit geval yttriumijzeroxide, geplaatst in een hoog magnetisch veld vertoonden uniek afstembare, ultrasterke interacties tussen magnonen in het kristal.

Orthoferrieten zijn ijzeroxidekristallen waaraan een of meer zeldzame aardelementen zijn toegevoegd.

Magnons zijn quasideeltjes, spookachtige constructies die de collectieve excitatie van elektronenspin in een kristalrooster vertegenwoordigen.

Wat het een met het ander te maken heeft, is de basis van een onderzoek dat verschijnt in Natuurcommunicatie , waar Kono en zijn team een ​​ongebruikelijke koppeling beschrijven tussen twee magnons die gedomineerd worden door antiresonantie, waardoor beide magnonen tegelijkertijd energie winnen of verliezen.

Gebruikelijk, wanneer twee oscillatoren resonant koppelen, de een wint energie ten koste van de ander, totale energie besparen, zei Kono.

Maar in antiresonante (of tegengesteld draaiende) koppeling, beide oscillatoren kunnen tegelijkertijd energie winnen of verliezen door interactie met het kwantumvacuüm, het door de kwantummechanica voorspelde nulpuntsveld.

Zie het als een kortstondige wip die kan worden gedwongen om in het midden te buigen.

Makihara en co-auteurs Kenji Hayashida van Hokkaido University en natuurkundige Motoaki Bamba van Kyoto University gebruikten de ontdekking om via theorie de waarschijnlijkheid aan te tonen van significante kwantumknijp in de grondtoestand van het gekoppelde magnon-magnon-systeem.

In de geperste staat, de hoeveelheid fluctuatie, of lawaai, van een meetbare hoeveelheid geassocieerd met de magnons kan worden onderdrukt, met gelijktijdig toegenomen ruis in een andere hoeveelheid, zei Kono. "Het is gerelateerd aan het onzekerheidsprincipe van Heisenberg waarin een reeks variabelen is gecorreleerd, maar als je er een probeert te meten, je verliest informatie over de ander. Als je er een knijpt, onzekerheid over de ander groeit.

"Gebruikelijk, om een ​​kwantum samengedrukte toestand te creëren, men moet het systeem krachtig aansturen met een laserstraal. Maar het systeem van Takuma is intrinsiek uitgeknepen; dat is, het kan worden omschreven als een reeds geperste staat, " zei hij. "Dit zou een nuttig platform kunnen worden voor kwantumdetectietoepassingen."

Makihara zei dat de unieke toestand wordt bereikt met een sterk magnetisch veld zoals dat wordt gebruikt bij magnetische resonantiebeeldvorming. Het veld past koppel toe op de magnetische momenten in atomen, in dit geval die van het orthoferriet. Dat zorgt ervoor dat ze roteren (of precesseren).

Dat vergt een krachtig veld. De RAMBO van het Kono-lab - de Rice Advanced Magnet with Broadband Optics - is een unieke spectrometer die is ontwikkeld met natuurkundige Hiroyuki Nojiri van de Tohoku University en waarmee onderzoekers materialen die zijn gekoeld tot bijna het absolute nulpunt kunnen blootstellen aan krachtige magnetische velden tot 30 tesla in combinatie met ultrakorte laserpulsen .

"We zeiden, 'Wat kunnen we studeren bij RAMBO? Welke nieuwe fysica is er in dit unieke regime?'" zei Makihara, nu een afgestudeerde student aan de Stanford University. "Orthoferrieten hebben deze magnonen die tot 30 tesla en frequenties verschuiven in het terahertz-regime. De eerste metingen waren niet zo interessant.

"Maar toen ontvingen we kristallen (gekweekt door de natuurkundige Shixun Cao van de Universiteit van Shanghai en zijn groep) die geen perfect evenwijdige gezichten hadden, ' zei hij. 'Ze waren een beetje schuin afgesneden. En op een dag, we laadden het kristal onder een zodanige hoek op de magneet dat het magnetische veld niet langs de kristalas werd aangelegd.

"We verwachtten dat de magnonfrequentie gewoon zou opschuiven met het magnetische veld, maar toen het gekanteld was, we zagen een kleine opening, "Zei Makihara. "Dus, na deze bevinding met professor Bamba te hebben besproken, we vroegen expliciet om kristallen die onder verschillende hoeken waren gesneden en maten die, en zag deze enorme mate van anti-kruising. Dat is het kenmerk van ultrasterke koppeling."

Antiresonantie bestaat altijd in licht-materie en materie-materie interacties, maar is in geringe mate aanwezig in vergelijking met de dominante resonante interactie, merkten de onderzoekers op. Dat was niet het geval bij de orthoferrieten die het Kono-lab bestudeerde.

Het materiaal blootstellen aan een hoog magnetisch veld en het kristal kantelen ten opzichte van de veldgepompte antiresonantie die de resonantie evenaarde en zelfs overtrof.

Als extra roterende magnetische velden (bijv. van circulair gepolariseerd licht) worden geïntroduceerd, de voorafgaande momenten hebben een sterke wisselwerking met velden die meedraaien met de momenten (de meedraaiende velden), terwijl ze zwak interageren met velden die in tegengestelde richting draaien (de tegengesteld draaiende velden).

In de kwantumtheorie, Bamba zei, deze zogenaamde tegengesteld draaiende interacties leiden tot bizarre interacties waarbij zowel de lichte als de materie-subsystemen tegelijkertijd energie kunnen winnen of verliezen. De interacties tussen de magnetische momenten en de tegengesteld draaiende velden worden als antiresonant beschouwd en hebben normaal gesproken weinig effect. Echter, in het materie-materie gekoppeld systeem bestudeerd bij Rice, de antiresonante interacties zouden dominant gemaakt kunnen worden.

"De kracht van de co-roterende en contra-roterende interacties is meestal een vaste constante in een systeem, en de effecten van de co-roterende interacties domineren altijd die van de contraroterende interacties, "Zei Kono. "Maar dit systeem is contra-intuïtief omdat er twee onafhankelijke koppelingssterkten zijn, en ze zijn ongelooflijk afstembaar via kristaloriëntatie en magnetische veldsterkte. We kunnen een nieuwe situatie creëren waarin effecten van de contraroterende termen dominanter zijn dan van de co-roterende termen.

"In licht-materie systemen, wanneer de frequenties van licht en materie gelijk worden, ze vermengen zich tot een polariton, "zei hij. "In ons geval gebeurt iets soortgelijks, maar het is tussen materie en materie. Twee magnon-modi hybridiseren. Er is een al lang bestaande vraag wat er gebeurt als de mate van hybridisatie zo hoog wordt dat deze zelfs de resonantie-energie overschrijdt.

"In zo'n regime exotische verschijnselen worden voorspeld als gevolg van tegengesteld draaiende interacties, inclusief een samengedrukte vacuümtoestand en een faseovergang naar een nieuwe toestand waarin statische velden spontaan verschijnen, " zei hij. "En we ontdekten dat we dergelijke omstandigheden kunnen bereiken door het magnetische veld af te stemmen."

De nieuwe studie bevordert de inspanningen van het Kono-team om de superradiante faseovergang van Dicke te observeren, een fenomeen dat een nieuwe exotische toestand van materie zou kunnen creëren en zou kunnen leiden tot vooruitgang in kwantumgeheugen en transductie. Het lab vond een veelbelovende aanpak om dit in 2018 te realiseren in materie-materie koppeling, zijn ontdekking melden in Wetenschap .

De ontdekking toont ook aan dat orthoferriet in een magnetisch veld kan dienen als een kwantumsimulator, een eenvoudig en zeer afstembaar kwantumsysteem dat een complexer systeem vertegenwoordigt met een onhandelbaar aantal op elkaar inwerkende deeltjes of een experimenteel ontoegankelijk regime van parameters, zei Kono.

Afstembare magnon-magnon koppeling in orthoferrieten kan worden gebruikt om inzicht te geven in de aard van de grondtoestand van een ultrasterke, gekoppelde lichte-materie hybride, hij zei.

Kono zei dat hun bevindingen ook zullen leiden tot een zoektocht naar meer materialen die het effect vertonen. "Zeldzame aardorthoferrieten is een grote familie van materialen, en we hebben er maar één bestudeerd, " hij zei.