In een nieuwe studie hebben natuurkundigen van de Universiteit van Californië, Berkeley, aangetoond dat de standaard quasideeltjestheorie op een kwantumkritisch punt faalt. Deze bevinding daagt ons huidige begrip uit van hoe materialen zich gedragen bij zeer lage temperaturen en zou implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën.

Quasideeltjes zijn quasi-elementaire excitaties die bij zeer lage temperaturen in bepaalde materialen kunnen voorkomen. Ze lijken op echte deeltjes, maar ze bestaan ​​niet uit materie. In plaats daarvan bestaan ​​ze uit energie en momentum.

De standaard quasideeltjestheorie is gebaseerd op de aanname dat quasideeltjes onafhankelijk van elkaar zijn. Uit het nieuwe onderzoek blijkt echter dat deze aanname op een kwantumkritisch punt faalt. Een kwantumkritisch punt is een punt in het fasediagram van een materiaal waar de eigenschappen van het materiaal drastisch veranderen.

De bevindingen van het onderzoek kunnen implicaties hebben voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën. Kwantumcomputers gebruiken bijvoorbeeld qubits om informatie op te slaan. Qubits zijn gemaakt van quasideeltjes. De nieuwe studie suggereert dat het gedrag van qubits kan worden beïnvloed door kwantumkritische punten. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe kwantumcomputers die krachtiger en efficiënter zijn.

De bevindingen van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.

Achtergrond

In de kwantummechanica is een quasideeltje een deeltjeachtig object dat kan bestaan ​​in een kwantumveldentheorie. Quasideeltjes zijn geen echte deeltjes, maar ze kunnen worden gebruikt om het gedrag van echte deeltjes in bepaalde situaties te beschrijven.

In de theorie van supergeleiding worden bijvoorbeeld quasideeltjes, fononen genoemd, gebruikt om de trillingen van de atomen in een supergeleider te beschrijven. Deze trillingen zijn verantwoordelijk voor het vermogen van de supergeleider om elektriciteit zonder weerstand te geleiden.

Een ander voorbeeld van quasideeltjes is het elektronengat. Een elektronengat is een quasideeltje dat de afwezigheid van een elektron in een halfgeleider vertegenwoordigt. Elektronengaten kunnen net als echte elektronen door een halfgeleider bewegen en kunnen worden gebruikt om elektronische apparaten zoals transistors te maken.

Quasideeltjes zijn een krachtig hulpmiddel om het gedrag van materialen op kwantumniveau te begrijpen. Ze kunnen worden gebruikt om een ​​grote verscheidenheid aan verschijnselen te beschrijven, waaronder supergeleiding, superfluïditeit en magnetisme.

Kwantumkritische punten

Een kwantumkritisch punt is een punt in het fasediagram van een materiaal waar de eigenschappen van het materiaal drastisch veranderen. Op een kwantumkritisch punt worden de interacties tussen de deeltjes in het materiaal zo sterk dat het gedrag van het materiaal niet langer kan worden beschreven door de standaardwetten van de natuurkunde.

Kwantumkritische punten zijn interessant omdat ze inzicht kunnen verschaffen in de fundamentele aard van materie. Door kwantumkritische punten te bestuderen kunnen natuurkundigen meer te weten komen over de krachten die atomen bij elkaar houden en de interacties tussen deeltjes.

Kwantumkritische punten zijn ook van belang voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën. Kwantumcomputers zouden bijvoorbeeld kwantumkritische punten kunnen gebruiken om bepaalde berekeningen veel sneller uit te voeren dan klassieke computers.

Het nieuwe onderzoek

In de nieuwe studie bestudeerden natuurkundigen van de Universiteit van Californië, Berkeley, het gedrag van quasideeltjes op een kwantumkritisch punt. Ze ontdekten dat de standaard quasideeltjestheorie op een kwantumkritisch punt faalt.

Deze bevinding daagt ons huidige begrip uit van hoe materialen zich gedragen bij zeer lage temperaturen en zou implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën.

De bevindingen van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.