Snel afkoelende magnondeeltjes blijkt een verrassend effectieve manier om een ​​ongrijpbare kwantumtoestand van materie te creëren, een Bose-Einstein-condensaat genoemd. De ontdekking kan het onderzoek naar kwantumfysica vooruit helpen en is een stap in de richting van het langetermijndoel van kwantumcomputing bij kamertemperatuur.

Een internationaal team van wetenschappers heeft een gemakkelijke manier gevonden om een ​​ongewone toestand van materie te veroorzaken, een Bose-Einstein-condensaat. De nieuwe methode, onlangs beschreven in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , zal naar verwachting het onderzoek en de ontwikkeling van kwantumcomputing bij kamertemperatuur helpen bevorderen.

Het team, onder leiding van natuurkundigen aan de Technische Universität Kaiserslautern (TUK) in Duitsland en de Universiteit van Wenen in Oostenrijk, het Bose-Einstein-condensaat (BEC) gegenereerd door een plotselinge verandering in temperatuur:eerst langzaam opwarmen van quasi-deeltjes, koel ze vervolgens snel terug tot kamertemperatuur. Ze demonstreerden de methode met behulp van quasi-deeltjes genaamd magnons, die de quanta van magnetische excitaties van een vast lichaam vertegenwoordigen.

"Veel onderzoekers bestuderen verschillende soorten Bose-Einstein-condensaten, " zei professor Burkard Hillebrands van TUK, een van de toonaangevende onderzoekers op het gebied van BEC. "De nieuwe aanpak die we hebben ontwikkeld, zou voor alle systemen moeten werken."

Raadselachtig en spontaan

Bose-Einstein condensaten, genoemd naar Albert Einstein en Satyendra Nath Bose die voor het eerst suggereerden dat ze bestaan, zijn een raadselachtig soort materie. Het zijn deeltjes die zich spontaan allemaal op kwantumniveau hetzelfde gedragen, in wezen één geheel worden. Oorspronkelijk gebruikt om ideale gasdeeltjes te beschrijven, Bose-Einstein condensaten zijn vastgesteld met atomen, evenals met quasi-deeltjes zoals bosonen, fononen en magnonen.

Het maken van Bose-Einstein-condensaten is een lastige zaak omdat, per definitie, ze moeten spontaan ontstaan. Het creëren van de juiste omstandigheden om de condensaten te genereren, betekent niet proberen om enige vorm van orde of samenhang te introduceren om de deeltjes aan te moedigen zich op dezelfde manier te gedragen; dat moeten de deeltjes zelf doen.

Momenteel, Bose-Einstein-condensaten worden gevormd door de temperatuur te verlagen tot bijna het absolute nulpunt, of door een groot aantal deeltjes bij kamertemperatuur in een kleine ruimte te injecteren. Echter, de kamertemperatuur methode, die voor het eerst werd gemeld door Hillebrands en medewerkers in 2005, is technisch complex en slechts een paar onderzoeksteams over de hele wereld beschikken over de benodigde apparatuur en knowhow.

De nieuwe methode is veel eenvoudiger. Het vereist een verwarmingsbron, en een kleine magnetische nanostructuur, honderd keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar.

"Onze recente vooruitgang in de miniaturisatie van magnonische structuren tot nanoscopische schaal stelde ons in staat om BEC vanuit een heel ander perspectief te benaderen, " zei professor Andrii Chumak van de Universiteit van Wenen.

De nanostructuur wordt langzaam opgewarmd tot 200°C om fononen te genereren, die op hun beurt magnons van dezelfde temperatuur genereren. De verwarmingsbron is uitgeschakeld, en de nanostructuur koelt snel af tot kamertemperatuur in ongeveer een nanoseconde. Wanneer dit gebeurt, de fononen ontsnappen naar het substraat, maar de magnons reageren te traag, en binnen de magnetische nanostructuur blijven.

Michael Schneider, lead paper auteur en een Ph.D. student in TUK'S Magnetism Research Group, legde uit waarom dit gebeurt:"Als de fononen ontsnappen, de magnonen willen energie verminderen om in evenwicht te blijven. Omdat ze het aantal deeltjes niet kunnen verminderen, ze moeten de energie op een andere manier verminderen. Dus, ze springen allemaal naar hetzelfde lage energieniveau."

Door spontaan allemaal hetzelfde energieniveau te bezetten, de magnonen vormen een Bose-Einstein condensaat.

"We hebben nooit samenhang in het systeem aangebracht, ' zei Chumak, "dus dit is een zeer zuivere en duidelijke manier om Bose-Einstein-condensaten te maken."

Onverwacht resultaat

Zoals zo vaak in de wetenschap, het team deed de ontdekking nogal per ongeluk. Ze wilden een ander aspect van nanocircuits bestuderen toen er vreemde dingen begonnen te gebeuren.

"Eerst dachten we dat er iets echt mis was met ons experiment of onze data-analyse, ' zei Schneider.

Na het project te hebben besproken met medewerkers van TUK en in de VS, ze hebben enkele experimentele parameters aangepast om te zien of het vreemde ding in feite een Bose-Einstein-condensaat was. Ze hebben de aanwezigheid ervan geverifieerd met spectroscopietechnieken.

De bevinding zal vooral andere natuurkundigen interesseren die deze toestand van materie bestuderen. "Maar het onthullen van informatie over magnons en hun gedrag in een vorm van macroscopische kwantumtoestand bij kamertemperatuur zou van invloed kunnen zijn op de zoektocht naar het ontwikkelen van computers die magnons als gegevensdragers gebruiken, ', aldus Hillebrands.