Nenavadni magnetizem kvantnega materiala (VIDEO)

Kovine in električne izolatorje v splošnem ločimo po tem, da se v prvih nosilci električnega naboja, tj. elektroni, prosto gibljejo, medtem ko so v drugih vezani na atome. Kovine so zato zelo dober električni in toplotni prevodnik, izolatorji pa bistveno slabši. Skupina slovenskih fizikov z Instituta Jožef Stefan pa je prišla do presenetljivega odkritja, da se lahko tudi nekateri izolatorji v nekem smislu obnašajo »kovinsko«. Odkrili so namreč, da lahko v njih pride do pojava, ki je dotlej veljal za posebnost električnih prevodnikov, do Kondovega senčenja magnetnih nečistoč, kjer vlogo prevodniških elektronov prevzamejo električno nevtralne magnetne vzbuditve. Odkritje ima daljnosežne posledice, saj bi lahko omogočilo gradnjo kvantnega računalnika, ki bi bil bistveno zmogljivejši od današnjih klasičnih računalnikov.



Razumevanje fizikalnih lastnosti materialov je temelj tehnološke revolucije. Tehnologija je v prvi polovici prejšnjega stoletja temeljila na izkoriščanju značilnih lastnosti kovin in izolatorjev, v drugi polovici 20. stoletja se je z razvojem tranzistorjev in računalništva težišče prevesilo na polprevodnike, v tem stoletju pa prihajajo v ospredje kvantni materiali s povsem drugačnimi lastnostmi. Te so neintuitivne in pogosto še ne povsem pojasnjene ter izražajo temeljno kvantno naravo sveta. Med kvantne materiale uvrščamo nekatere od tehnološko najobetavnejših novih materialov, kot so visokotemperaturni superprevodniki, grafen, Diracove in Weylove polkovine, topološki izolatorji in izolatorski magneti, imenovani kvantne spinske tekočine. Analogijo z dogajanjem v kovinah je slovenskim raziskovalcem uspelo odkriti prav s proučevanjem zadnje skupine materialov.
 

Računalniška upodobitev Matjaž Gomilšek

Neintuitivni Kondov pojav

Ena od osnovnih lastnosti kovin je, da se njihova električna upornost z nižanjem temperature zmanjšuje. Naključno nihanje atomov, ki ovira gibanje elektronov, namreč postaja pri nizkih temperaturah vse manj izrazito. Zato pri najnižjih temperaturah na gibanje elektronov vplivajo le še napake v kristalni strukturi kovine. V tridesetih letih 20. stoletja pa so znanstveniki prišli do presenetljivega odkritja, da začne upornost nekaterih kovin pri najnižjih temperaturah, paradoksalno, ponovno naraščati, če te vsebujejo magnetne nečistoče. Pojav je ostal nepojasnjen vse do leta 1964, ko je japonski fizik Jun Kondo predlagal, da je za rast upornosti odgovorno senčenje magnetnih nečistoč s prevodniškimi elektroni. To postaja zaradi kvantnih pojavov pri nizkih temperaturah vedno bolj izrazito in tako vse bolj ovira gibanje elektronov skozi kovino. V nadaljnjih desetletjih je tako imenovani Kondov pojav postal eden najbolj proučevanih pojavov v fiziki trdne snovi. To kaže pripisati ne le njegovi neintuitivni kvantni naravi, ki je za razumevanje zahtevala razvoj povsem novih teoretičnih pristopov, temveč tudi dejstvu, da so znanstveniki Kondov pojav sčasoma odkrili in izrabili za proučevanje široke palete električnih prevodnikov, ne le klasičnih kovin.

Vizualizacija Kondovega pojava, kjer magnetne vzbuditve (rdeče lučke) vedno bolj senčijo magnetne nečistoče (modre lučke), ko se temperatura znižuje:


 

Kvantno prepletene nečistoče

Kondov pojav izvira iz magnetne sklopitve med nečistočami in prevodniškimi elektroni, ki začne zaradi kvantnih pojavov pod določeno temperaturo naraščati. To vodi do tvorbe povsem novega stanja snovi, v katerem so nečistoče močno kvantno prepletene – in torej nerazdružljivo povezane – s prevodniškimi elektroni. Ker gre v osnovi za magnetni pojav, pri katerem električni naboj elektronov ne igra nobene vloge, se postavlja zanimivo vprašanje: ali bi se lahko zgodil analogen pojav tudi v električnih izolatorjih, če bi gibljive elektrone nadomestili z gibljivimi, a električno nevtralnimi magnetnimi vzbuditvami? Že dobri dve desetletji nekateri teoretični fiziki menijo, da bi moral biti odgovor na to vprašanje pritrdilen. Toda do nedavna je manjkala eksperimentalna potrditev teh domnev. Ta je kot prvi na svetu uspela skupini slovenskih fizikov, ki so jo poleg prvega avtorja dr. Matjaža Gomilška in vodje raziskave dr. Andreja Zorka sestavljali še dr. Rok Žitko, dr. Martin Klanjšek in dr. Matej Pregelj ter sodelavci iz Švice in Kitajske. Svoje rezultate so nedavno objavili v prestižni znanstveni reviji Nature Physics.

Pojav so odkrili v kvantnih spinskih tekočinah, ki jih omenjena skupina raziskovalcev proučuje že več let. To so posebni izolatorji, katerih magnetno stanje se nikoli ne ustali, temveč se zaradi kvantne nedoločenosti nenehno spreminja – je »tekoče« – tudi pri temperaturah v bližini absolutne ničle, kjer se v običajnih magnetnih snoveh gibanje ustavi. Kvantne spinske tekočine zato uvrščamo med najbolj nenavadne kvantne materiale, raziskave teh pa so se v zadnjem času uveljavile kot eno bolj propulzivnih področij v fiziki. Tudi na Institutu Jožef Stefan so raziskave kvantnih spinskih tekočin nedavno pripeljale do več odmevnih objav v najprestižnejših znanstvenih revijah.


 

Magnetne vzbuditve kot delci

Novoodkriti pojav je posledica posebnih lastnosti magnetnih vzbuditev v kvantni spinski tekočini minerala, imenovanega cinkov brohantit. V običajnih magnetih so te vzbuditve magnetni valovi, ki se obnašajo povsem klasično, podobno kot valovanje na vodi. V proučevani kvantni spinski tekočini pa magnetne vzbuditve prevzamejo močno kvantni značaj fermionov – delcev, kakršen je elektron, ki ne morejo biti vsi hkrati v istem kvantnem stanju. Prav fermionska narava magnetnih vzbuditev je odgovorna za to, da te senčijo magnetne nečistoče podobno kot elektroni v kovini, torej prek Kondovega pojava.

Obstoj pojava je potrdil skrbno izbran in premišljen eksperiment mionske spinske spektroskopije, ki so ga slovenski fiziki izvedli na pospeševalniku Inštituta Paula Scherrerja v Švici. V eksperimentu so kot zelo natančna tipala magnetizma v vzorec vsadili kratkožive delce mione, ki v majhnih količinah nastajajo pri trkih v pospeševalniku. Gre za zelo specifičen eksperiment, ki ga poleg omenjenega pospeševalnika omogočajo samo še trije na svetu, v Veliki Britaniji, na Japonskem in v Kanadi.


 

Praktične posledice odkritja

Poleg potrditve obstoja povsem novega kvantnega pojava ima odkritje tudi praktične posledice. Kot prvo demonstracijo uporabnosti so slovenski raziskovalci pokazali, da lahko meritev Kondovega odziva nečistoč služi kot nedvoumen prstni odtis stanja kvantne spinske tekočine, v kateri so nečistoče. To je precejšen napredek, saj je bilo to stanje doslej izredno težko identificirati. Dolgoročni cilj raziskav pa je še mnogo širši. Kvantne spinske tekočine so namreč ena od bolj obetavnih platform za kvantno računalništvo. Gre za paradigmo nove vrste računalnika, ki bi temeljil na izrabi kvantnih pojavov in bi učinkovito poiskal odgovore na nekatera vprašanja, pretežka za klasične računalnike. Med predlaganimi vrstami uporabe kvantnega računalnika so učinkovite simulacije velikih kemijskih molekul, na primer proteinov, kar bi zelo pospešilo odkrivanje novih zdravilnih učinkovin, učinkovite simulacije kvantnih materialov, kar bi denimo omogočilo razvoj bolj zmogljivih električnih baterij in sončnih celic, in občutno povečanje zmogljivosti umetne inteligence.

Ena večjih ovir pri realizaciji kvantnega računalnika na temelju kvantnih spinskih tekočin je, da se te skoraj ne odzivajo na okolico. To po eni strani omogoča dolgoživost informacij, zapisanih v kvantnih stanjih kvantne spinske tekočine, ker jih zavaruje pred vplivi iz okolice, a hkrati pomeni veliko težavo, saj močno oteži namerno manipulacijo kvantnih stanj, potrebno za to, da kvantni računalnik sploh lahko upravljamo. Slovenski raziskovalci predlagajo, da bi bilo želene spremembe v kvantni spinski tekočini lažje doseči z manipulacijo magnetnih nečistoč, novoodkriti Kondov pojav pa bi izrabili kot vzvod med stanjem nečistoče in stanjem kvantne spinske tekočine. Odkritje je tako pomemben korak, ki bi lahko omogočil razvoj prvega praktičnega kvantnega računalnika.