Of het nu magneten of supergeleiders zijn, materialen staan ​​bekend om hun verschillende eigenschappen. Deze eigenschappen kunnen echter onder extreme omstandigheden spontaan veranderen. Onderzoekers van de Technische Universität Dresden (TUD) en de Technische Universität München (TUM) hebben een geheel nieuw type van deze faseovergangen ontdekt. Ze vertonen het fenomeen van kwantumverstrengeling waarbij veel atomen betrokken zijn, dat voorheen alleen in het rijk van een paar atomen werd waargenomen. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature .

Nieuwe vacht voor de kwantumkat

In de natuurkunde is de kat van Schroedinger een allegorie voor twee van de meest ontzagwekkende effecten van de kwantummechanica:verstrengeling en superpositie. Onderzoekers uit Dresden en München hebben dit gedrag nu op veel grotere schaal waargenomen dan dat van de kleinste deeltjes. Tot nu toe was het bekend dat materialen die eigenschappen vertonen, zoals magnetisme, zogenaamde domeinen hebben - eilanden waarin de materiaaleigenschappen homogeen zijn, hetzij van een of een ander soort (stel je voor dat ze bijvoorbeeld zwart of wit zijn).

Kijken naar lithiumholmiumfluoride (LiHoF₄ ), hebben de natuurkundigen nu een geheel nieuwe faseovergang ontdekt, waarbij de domeinen verrassend kwantummechanische eigenschappen vertonen, waardoor hun eigenschappen verstrengeld raken (tegelijk zwart en wit zijn). "Onze kwantumkat heeft nu een nieuwe vacht omdat we een nieuwe kwantumfaseovergang hebben ontdekt in LiHoF₄ waarvan het bestaan ​​niet eerder bekend was", zegt Matthias Vojta, voorzitter van Theoretical Solid State Physics aan de TUD.

Faseovergangen en verstrengeling

We kunnen de spontaan veranderende eigenschappen van een stof gemakkelijk waarnemen als we naar water kijken - bij 100 graden Celsius verdampt het tot een gas, bij nul graden Celsius bevriest het tot ijs. In beide gevallen ontstaan ​​deze nieuwe toestanden van materie als gevolg van een faseovergang waarbij de watermoleculen zichzelf herschikken, waardoor de eigenschappen van de materie veranderen. Eigenschappen zoals magnetisme of supergeleiding ontstaan ​​als gevolg van elektronen die faseovergangen ondergaan in kristallen. Voor faseovergangen bij temperaturen die het absolute nulpunt naderen bij -273,15 graden Celsius, spelen kwantummechanische effecten zoals verstrengeling en kwantumfaseovergangen een rol.

"Hoewel er meer dan 30 jaar uitgebreid onderzoek is gewijd aan faseovergangen in kwantummaterialen, hadden we eerder aangenomen dat het fenomeen verstrengeling alleen een rol speelde op microscopische schaal, waar het slechts een paar atomen tegelijk betreft." legt Christian Pfleiderer uit, hoogleraar topologie van gecorreleerde systemen aan de TUM.

Kwantumverstrengeling is een toestand waarin de verstrengelde kwantumdeeltjes bestaan ​​in een gedeelde superpositietoestand die het mogelijk maakt dat gewoonlijk elkaar uitsluitende eigenschappen (bijvoorbeeld zwart en wit) gelijktijdig optreden. In de regel gelden de wetten van de kwantummechanica alleen voor microscopisch kleine deeltjes. De onderzoeksteams uit München en Dresden zijn er nu in geslaagd om effecten van kwantumverstrengeling op veel grotere schaal waar te nemen, die van duizenden atomen. Hiervoor hebben ze ervoor gekozen om te werken met de bekende verbinding LiHoF₄ .

Sferische monsters maken nauwkeurige metingen mogelijk

Bij zeer lage temperaturen, LiHoF₄ fungeert als een ferromagneet waarbij alle magnetische momenten spontaan in dezelfde richting wijzen. Als je vervolgens een magnetisch veld precies verticaal tov de gewenste magnetische richting aanbrengt, zullen de magnetische momenten van richting veranderen, wat bekend staat als fluctuaties. Hoe hoger de magnetische veldsterkte, hoe sterker deze fluctuaties worden, totdat uiteindelijk het ferromagnetisme volledig verdwijnt bij een kwantumfaseovergang. Dit leidt tot de verstrengeling van naburige magnetische momenten. "Als je een LiHoF₄ . omhoog houdt monster tot een zeer sterke magneet, houdt het plotseling op spontaan magnetisch te zijn. Dit is al 25 jaar bekend", zegt Vojta.

Nieuw is wat er gebeurt als je de richting van het magnetische veld verandert. "We ontdekten dat de kwantumfase-overgang blijft plaatsvinden, terwijl eerder werd aangenomen dat zelfs de kleinste kanteling van het magnetische veld deze onmiddellijk zou onderdrukken", legt Pfleiderer uit. Onder deze omstandigheden zijn het echter geen individuele magnetische momenten, maar eerder uitgebreide magnetische gebieden, zogenaamde ferromagnetische domeinen, die deze kwantumfaseovergangen ondergaan. De domeinen vormen hele eilanden van magnetische momenten die in dezelfde richting wijzen.

"We hebben sferische monsters gebruikt voor onze precisiemetingen. Dat stelde ons in staat om het gedrag bij kleine veranderingen in de richting van het magnetische veld nauwkeurig te bestuderen", voegt Andreas Wendl toe, die de experimenten uitvoerde als onderdeel van zijn proefschrift.

Van fundamentele fysica tot toepassingen

"We hebben een geheel nieuw type kwantumfase-overgangen ontdekt waarbij verstrengeling plaatsvindt op de schaal van vele duizenden atomen in plaats van alleen in de microkosmos van slechts een paar", legt Vojta uit. "Als je je de magnetische domeinen voorstelt als een zwart-wit patroon, leidt de nieuwe fase-overgang ertoe dat de witte of de zwarte gebieden oneindig klein worden, d.w.z. het creëren van een kwantumpatroon, voordat het volledig oplost." Een nieuw ontwikkeld theoretisch model verklaart met succes de gegevens die uit de experimenten zijn verkregen.

"Voor onze analyse hebben we bestaande microscopische modellen gegeneraliseerd en ook rekening gehouden met de feedback van de grote ferromagnetische domeinen op de microscopische eigenschappen", zegt Heike Eisenlohr, die de berekeningen uitvoerde als onderdeel van haar Ph.D. proefschrift.

De ontdekking van de nieuwe kwantumfaseovergangen is belangrijk als basis en algemeen referentiekader voor het onderzoek naar kwantumverschijnselen in materialen, maar ook voor nieuwe toepassingen. "Kwantumverstrengeling wordt onder meer toegepast en gebruikt in technologieën als kwantumsensoren en kwantumcomputers", zegt Vojta. Pfleiderer voegt toe:"Ons werk ligt op het gebied van fundamenteel onderzoek, dat echter een directe impact kan hebben op de ontwikkeling van praktische toepassingen, als je de materiaaleigenschappen op een gecontroleerde manier gebruikt." + Verder verkennen

Snelheidslimieten voor kwantumverschijnselen zijn uitgebreid tot objecten van macroformaat