.){kind=link}
Voor het eerst ontdekten wetenschappers in het laboratorium een lang voorspelde, maar voorheen ongeziene toestand van materie. Door een laser af te vuren op een ultrakoud rooster van rubidium-atomen, dwongen wetenschappers de atomen in een rommelige soep van kwantumonzekerheid die bekend staat als quantum spindichtheid (vloeibaar).
De hypothese van het bestaan van kwantumspindichtheid - een zeldzame toestand van materie waarin geen magnetische orde op lange afstand ontstaat bij nultemperatuur - werd al in 1973 voorgesteld. Maar het was pas onlangs dat wetenschappers voor het eerst een kwantumspinvloeistof in laboratoriumomstandigheden waarnamen.
Het "vloeibare" deel behoort tot elektronen die constant veranderen en oscilleren in het magnetische materiaal bij lage temperaturen. In tegenstelling tot gewone magneten stabiliseren de elektronen zich in dit geval niet en nestelen ze zich niet in het gestructureerde rooster van het vaste lichaam bij afkoeling. Nu deze toestand is vastgelegd, is het te hopen dat de ontdekking de ontwikkeling van krachtige kwantumcomputers zal versnellen.
"Dit is een heel bijzonder moment op dit gebied", zegt kwantumfysicus Mykhailo Lukin van de Harvard University in Massachusetts. "Je kunt deze exotische staat zelfs aanraken en er zelfs in porren, hem manipuleren om de eigenschappen ervan te begrijpen ... het is een nieuwe staat van materie die mensen nog nooit eerder hebben kunnen waarnemen."
Conventionele magneten bevatten elektronen waarvan de spin in dezelfde richting omhoog of omlaag is gericht, waardoor magnetisme ontstaat. In kwantumspinvloeistoffen wordt een derde elektron geïntroduceerd, dus terwijl twee tegengestelde spins elkaar stabiliseren, verbreekt de spin van het derde elektron het evenwicht. Dit creëert een "ongeordende" magneet waar alle spins niet in dezelfde richting kunnen stabiliseren.
Om hun eigen ongeordende roosterpatroon te creëren, gebruikte het team een programmeerbare kwantumsimulator gebouwd in 2017. De simulator gebruikt een kwantumcomputerprogramma om atomen in willekeurige vormen te houden met lasers – zoals vierkanten, driehoeken of honingraten – en kan worden gebruikt om verschillende kwantuminteracties en -processen te ontwerpen. De simulator gebruikt strak gefocuste laserstralen om de atomen individueel te rangschikken, en door de rubidium-atomen in een driehoekig patroonrooster te rangschikken, konden de onderzoekers een onstabiele magneet creëren met de eigenschappen van kwantumverstrengeling - waar veranderingen in één atoom samenvallen met een tweede verstrengeld atoom.
De bindingen tussen de atomen gaven aan dat er inderdaad een kwantumspindichtheid was gecreëerd.
"Je kunt de atomen zo ver duwen als je wilt, je kunt de frequentie van de laser veranderen, je kunt de parameters van de natuur echt veranderen op een manier die je niet kon in het materiaal waar deze dingen eerder werden bestudeerd", zegt quantum natuurkundige Subir Sachdev van Harvard University. "Hier kun je naar elk atoom kijken en zien wat het doet."
Kwantumcomputers zijn gebouwd op kwantumbits, of qubits, en men hoopt dat kwantumspinvloeistoffen zullen helpen bij het ontwikkelen van topologische qubits die beter beschermd zijn tegen externe ruis en interferentie.
Lees ook: