Het gedrag van microscopisch kleine kwantummagneten is al lang een onderwerp dat in colleges in de theoretische natuurkunde wordt onderwezen. Het was echter tot nu toe moeilijk om de dynamiek van systemen die ver uit balans zijn te onderzoeken en ze 'live' te bekijken. Nu hebben onderzoekers van het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching precies dit bereikt met behulp van een kwantumgasmicroscoop. Met deze tool kunnen kwantumsystemen worden gemanipuleerd en vervolgens afgebeeld met zo'n hoge resolutie dat zelfs individuele atomen zichtbaar zijn. De resultaten van de experimenten met lineaire spinketens laten zien dat de manier waarop hun oriëntatie zich voortplant, overeenkomt met de zogenaamde Kardar-Parisi-Zhang-superdiffusie. Dit bevestigt een vermoeden dat recentelijk uit theoretische overwegingen naar voren is gekomen.

Een team van natuurkundigen rond Dr. Johannes Zeiher en Prof Immanuel Bloch heeft ogen op objecten die anderen bijna nooit te zien krijgen. De onderzoekers van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) in Garching gebruiken een zogenaamde kwantumgasmicroscoop om processen op de kleine schaal van de kwantumfysica op te sporen. Zo'n instrument maakt het mogelijk om met behulp van atomen en lasers gericht kwantumsystemen met gewenste eigenschappen te creëren en met hoge resolutie te onderzoeken. In deze experimenten richten de onderzoekers zich ook op transportverschijnselen:hoe kwantumobjecten bewegen onder bepaalde externe omstandigheden.

Het team heeft nu een verrassende experimentele ontdekking gedaan. De onderzoekers konden aantonen dat het eendimensionale transport van spins - de term 'spin' staat voor een specifieke, magnetische kwantumeigenschap van atomen en andere deeltjes - lijkt op macroscopische verschijnselen in bepaalde gebieden. Voor het grootste deel verschillen processen in het kwantumrijk en in de dagelijkse wereld aanzienlijk. "Maar ons werk onthult een interessant verband tussen kwantummechanische spinsystemen in koude atomen en klassieke systemen zoals het kweken van bacteriekolonies of het verspreiden van bosbranden", zegt Johannes Zeiher, groepsleider in de Quantum Many-Body Systems-divisie bij MPQ. "Deze ontdekking is volkomen onverwacht en wijst op een diepe connectie op het gebied van niet-evenwichtsfysica die nog steeds slecht wordt begrepen."

Natuurkundigen noemen zo'n theoretische analogie tussen willekeurige beweging in kwantum- en klassieke systemen 'universaliteit'. In dit specifieke geval is het de Kardar-Parisi-Zhang universaliteit (KPZ) - een fenomeen dat voorheen alleen bekend was uit de klassieke natuurkunde.

De veelzeggende exponent

Om het fenomeen microscopisch waar te nemen, koelde het Garching-team eerst een wolk van atomen af ​​tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Zo konden bewegingen door warmte worden uitgesloten. Daarna sloten ze de ultrakoude atomen op in een speciaal gevormde "doosvormige" potentiaal, gevormd door een opstelling van kleine spiegels. "We gebruikten dit om de relaxatie van een enkele magnetische domeinwand in een keten van 50 lineair gerangschikte spins te bestuderen", legt David Wei, een onderzoeker in de groep van Johannes Zeiher, uit. De domeinmuur scheidt gebieden met identieke oriëntatie van naburige spins van elkaar. De onderzoekers creëerden eerst de domeinmuur voor het experiment met behulp van een nieuwe truc, waarbij een "effectief magnetisch veld" werd gegenereerd door licht te projecteren. Door dit te doen, kunnen de onderzoekers de koppelingen tussen spins sterk onderdrukken, waardoor ze effectief op hun plaats worden "vergrendeld".

De relaxatie binnen de spinketen vond plaats nadat de koppelingen tussen de spins op gecontroleerde wijze waren aangezet en, zo bleek, een karakteristiek patroon volgde. "Dit kan wiskundig worden beschreven door een machtswet met de exponent 3/2", zegt Wei, een hint naar het verband met de universaliteit van KPZ. Verder bewijs voor deze relatie werd geleverd toen de onderzoekers de beweging van individuele spins detecteerden, wat werd onthuld door de kwantumgasmicroscoop.

"Deze hoge precisie was de basis voor een gedetailleerde statistische evaluatie", zegt Zeiher. "Het opvallende verloop van spindiffusie dat ons experiment liet zien, komt in wiskundige vorm ongeveer overeen met de verspreiding van een koffievlek op een tafelkleed, bijvoorbeeld", legt de natuurkundige van Max Planck uit. Dat zo'n verbazingwekkend verband kon bestaan, vermoedde een team van theoretici ongeveer twee jaar geleden op basis van theoretische overwegingen. Experimentele bevestiging van deze hypothese ontbrak echter nog.

Een oud model verbaast natuurkundigen

Voor de beschrijving van kwantummechanische spinfenomenen gebruiken natuurkundigen het zogenaamde Heisenberg-model al heel lang met veel succes (maar pas sinds kort konden spintransportfenomenen binnen dit model theoretisch worden beschreven). "Onze resultaten laten zien dat zelfs binnen een vaststaand theoretisch kader nog verrassende nieuwe inzichten mogelijk zijn", benadrukt Johannes Zeiher. "En ze zijn het bewijs van hoe theorie en experiment elkaar kruisen in de natuurkunde."

De resultaten die nu door het team in Garching zijn behaald, zijn niet alleen van academische waarde. Ze kunnen ook nuttig zijn voor tastbare technische toepassingen. Zo vormen spins ook de basis van bepaalde vormen van kwantumcomputers. Kennis van de transporteigenschappen van de informatiedragers zou van cruciaal belang kunnen zijn voor de praktische realisatie van dergelijke nieuwe computerarchitecturen.

De studie verschijnt in Science . + Verder verkennen

Computationeel speurwerk bevestigt eerste 3D quantum spin-vloeistof