Wetenschap
Kwantumverstrengeling in quasideeltjes:een stealth-modus tegen wanorde
Natuurkundigen van de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) hebben een ontdekking gedaan die het begrip van de rol van verstrengeling in supergeleiders van koperoxide bij hoge temperaturen zou kunnen vergroten. De quasideeltjes met lage energie van deze raadselachtige kwantummaterialen, de zogenaamde Zhang-Rice singlets, bleken opmerkelijk veerkrachtig te zijn tegen extreme wanorde.
Deze verrassende veerkracht in een verder glazige elektronische achtergrond wordt mogelijk gemaakt door kwantumverstrengeling – een vorm van kwantumbinding die een gat en een spin nauw met elkaar verbindt tot één effectief quasideeltje en het voor het deeltje moeilijker maakt om een onzuiverheid te verstrooien. Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters .
De robuustheid van quasideeltjes
Stel je een stel voor dat op een drukke dag hand in hand over de markt loopt:als het van de ene naar de andere kant wil gaan, moet de menigte mensen een stap opzij zetten, waardoor de mensen in de omgeving lokaal worden verspreid en hun eigen beweging wordt vertraagd . Van bovenaf bekeken, zouden het paar en hun omzeilende omgeving schijnbaar als een eenheid bewegen. Deze eenheid is wat natuurkundigen van de gecondenseerde materie een quasideeltje noemen, namelijk effectieve deeltjes die het lage-energie-excitatiespectrum van een vaste stof bepalen.
In een metaal bestaan de quasideeltjes doorgaans uit een elektron omgeven door een polarisatiewolk van andere elektronen, waarbij het elektron en de polarisatiewolk coherent bewegen. In een echt systeem verspreiden deze quasideeltjes onzuiverheden en wanorde. Terugkomend op onze fictieve marktplaats betekent dit dat onze twee tortelduifjes niet zomaar door een obstakel, zoals een lantaarnpaal, kunnen lopen dat hen in de weg staat. In plaats daarvan zouden ze er omheen moeten lopen, waardoor de beweging van het paar opnieuw zou worden vertraagd. In een echt metaal zorgt dit ervoor dat de elektronen onzuiverheden verstrooien, waardoor de beweging van de elektronen wordt belemmerd en elektrische weerstand ontstaat.
Dansen door mogelijke obstakels
In de gepubliceerde studie rapporteert het team, bestaande uit onderzoekers van JMU, dat de quasideeltjes in cuprate-materialen zich blijkbaar niet aan deze verstrooiingsregel houden. Deze materialen hebben een complexe structuur van koperoxidelagen en staan algemeen bekend om hun recordbrekende supergeleiding bij hoge temperaturen wanneer ze zijn gedoteerd. Hun quasideeltjes zijn Zhang-Rice singlets (ZRS), verstrengelde composietdeeltjes waarbij een zuurstofgat samenwerkt met een koperen leegte-spin, die als een dansend paar door het kristal beweegt.
De wetenschappers uit Würzburg testten deze quasideeltjes in een extreem wanordelijke cupraatomgeving waarin tot 40% van de koperatomen vervangen was door lithium. De wanorde is dus zo immens – onze ‘marktplaats’ is zo vol obstakels – dat de normale elektronen volledig tot stilstand komen.
Natuurkundigen noemen zo'n systeem een niet-ergodisch glassysteem, omdat deeltjes zich nu veel langzamer voortplanten in vergelijking met de typische experimentele tijdschalen. Met andere woorden, er is geen heen en weer gereis meer voor de bezoekers van onze marktplaats, en er beweegt niets meer.
De verleidelijke dans van gaten en spin van de Zhang-Rice singlets binnen deze kwantumunie wordt – ondanks alle verwachtingen – echter totaal niet beïnvloed door de onzuiverheden die hen in de weg staan. Hun kwantumverstrengeling verhindert dat ze zich verspreiden, en ze bewegen zich gewoon door het systeem – alsof ‘de markt’ zonder obstakels is.
Betekenis van de ontdekking
De studie heeft de eerste verschijning van Zhang Rice-singlets in een op cupraat gebaseerd elektronenglas onthuld en de opkomende onkwetsbaarheid van ZRS-quasideeltjes als gevolg van kwantumverstrengeling aangetoond. Dergelijke bevindingen kunnen verstrekkende gevolgen hebben, niet alleen voor ons begrip van de cuprate-supergeleiders, maar ook voor toekomstige technologieën gebaseerd op kwantumcoherentie.
Met name het vermogen om kwantumtoestanden te stabiliseren met betrekking tot externe verstoringen door middel van kwantumverstrengeling zou een cruciale rol kunnen spelen bij de realisatie van kwantumcomputers.