Ilgi gaidītais kvantu izrāviens no 1960. gadiem kļuva par realitāti: zinātniekiem izdevās novērot virpuļstāvokļu analogus supervadītājos, kas pavēra jaunas iespējas hibrīdu kvantu simulētāju izstrādei.
Satura rādītājs
Vairāk nekā sešus gadu desmitus kvantu teorijā paredzētais fenomens palika noslēpums, kas fizikāļiem bija gandrīz nepieejams. Tie bija tā saucamie Karoli–de Ženesa–Matrikona stāvokļi , kvantu struktūra, kas, kā tika pieņemts, atradās virpuļos, kas parādās dažos supravadītspējīgos materiālos . Tomēr, neskatoties uz tehnoloģiskajiem sasniegumiem, to tieša atklāšana palika praktiski neiespējama. Tagad, pateicoties ģeniālajai sistēmai, kas izstrādāta Nīls Bora institūtā pie Kopenhāgenas universitātes, šī senā mīkla sāk atrisināties. Tas viss skan dīvaini, tāpēc mēs jums par to pastāstīsim vienkāršā valodā.
Atklājums, kas publicēts žurnālā Physical Review Letters, kļuva iespējams nevis pateicoties stāvokļu atklāšanai to dabiskajā formā, bet gan pateicoties sintētiskas, kontrolējamas vides, kurā tie veidojas, atjaunošanai. Tā vietā, lai tieši meklētu īstu kvantu virpuļviesuli, pētnieki izgatavoja nanometru sistēmu, kas imitē nepieciešamos apstākļus. Līdzīgi kā mēģinājumi atrast aizmugurējās durvis telpā, kas bija slēgtas daudzus gadus, šis eksperimentālais īsais ceļš ļāva vizualizēt un pētīt šos neaptveramos kvantu stāvokļus.
Kas tika paredzēts 60. gados un kāpēc to bija tik grūti redzēt
1964. gadā fiziķi Karoli, de Ženē un Matrikons izvirzīja hipotēzi, ka virpuļa kodolā II tipa supervadītājos rodas noteikti saistīti kvantu stāvokļi, kas ir ierobežoti ar sistēmas enerģiju. Šie stāvokļi tagad ir pazīstami kā CdGM stāvokļi . To nozīme ir tajā, ka tie ir tiešas kvantu daļiņu uzvedības izpausmes ekstremālos ierobežojumu un simetrijas pārkāpumu apstākļos.
Problēma bija tā, ka šie stāvokļi bija sadalīti ar niecīgām enerģijas skalām, kas bija daudz mazākas par tām, kuras var noteikt standarta eksperimentos. Saskaņā ar zinātnisko rakstu, “CdGM stāvokļu enerģētiskās atšķirības ir mazākas par supervadītspējas spraugu Δ par koeficientu Δ/EF”. Šis koeficients Δ/EF parasti ir ārkārtīgi mazs, aptuveni viena desmit tūkstošdaļa, kas traucē šo stāvokļu tiešu novērošanu parastajos metāla materiālos.
Kas īsti ir kvantu virpuļi
Kad II tipa supervadītājs tiek pakļauts mērenam magnētiskam laukam, tas neblokē šo lauku pilnībā, kā to dara citi materiāli. Tā vietā lauks iesūcas supervadītāja iekšienē, veidojot sīkus neredzamas caurules, ko sauc par kvantu virpuļiem . Katrā no tām cirkulē minimālais magnētiskā lauka daudzums, kas vienmēr ir vienāds. To nevar sadalīt vai regulēt: tas ir kā standarta mērvienība, kuru daba neļauj sadalīt.
Vērpļa centrā materiāls uz brīdi zaudē savu supervadītspēju, radot unikālu vidi, kurā var rasties īpaši kvantu stāvokļi . Ap to supervadītāja īpašības sakārtoti rotē, veidojot sava veida mikroskopisku spirāli, kas var izveidoties tikai šādos apstākļos. Vērpulis nav vienkārši anomālija, bet gan stabils un fundamentāls struktūra, ideāla vide, lai novērotu parādības, kas parasti ir slēptas no mūsu instrumentiem.
Mākslīgi virpuļi: alternatīvs veids, kā novērot nenovērojamo
Nespējot tieši piekļūt šiem stāvokļiem, zinātnieki nolēma izstrādāt sistēmu, kas precīzi imitē kvantu virpuļa apstākļus, bet citā struktūrā. Viņi izmantoja indija arsenīda (InAs) nanovadus, kas pilnībā ietverti plānā alumīnija slānī, veidojot to, kas pazīstams kā pilnslāņa supervadīts-pusvadīts nanovāks .
Konstrukcijas būtība ir tāda, ka, pieliekot aksiālu magnētisko lauku šai cilindriskajai struktūrai, magnētiskais plūsma izraisa griešanos supervadītspējas fāzē, radot sava veida mākslīgu virpuļvērpi. Šī sistēma ģenerē “CdGM stāvokļu analogus kā Van Hova īpašības dispersijas vienmērīgos slāņos”. Citiem vārdiem sakot, novēro nevis pats virpulis, bet tā funkcionālais ekvivalents, kas ir pieejamāks mūsdienu eksperimentālajai tehnoloģijai.
Šī pieeja ļauj arī opcionāli manipulēt ar sistēmas parametriem, piemēram, supervadītspējīgā pārklājuma biezumu vai piemēroto magnētisko lauku. Tādējādi pētnieki var pētīt, kā rodas šie stāvokļi, kā tie uzvedas un kā tie mainās atkarībā no ārējiem apstākļiem. Sistēma nav vienkārši modelis, bet gan miniatūra kvantu fizikas laboratorija.
Acīmredzama eksperimenta pazīme: Litla-Parka daļas
Viens no elegantākajiem eksperimenta aspektiem ir tas, ka tas balstās uz parādību, kas pazīstama kā Litla-Parka efekts un atklāta 1962. gadā. Šis efekts apraksta, kā supervadītāja kritiskā temperatūra mainās oscilējoši, kad tam tiek piemērots magnētiskais plūsmas, jo plūsma tiek kvantizēta magnētiskās plūsmas kvantos (Φ₀ = h/2e) .
Pētījuma gaitā zinātnieki atklāja, ka sistēma demonstrē “daļveida struktūru” supervadītspējas enerģijas spraugā, ko modulē magnētiskais lauks. Augšējās daļās, kur parādās sintētiskie CdGM stāvokļi, tika novēroti disperģēti spraugu stāvokļi , kas atbilst teorētiskajām prognozēm. Turklāt katrā daļā šie stāvokļi demonstrē interesantu enerģētisko asimetriju, novirzoties uz augstākiem laukiem. Šī īpatnība tika “teorētiski izskaidrota […] un eksperimentāli aprakstīta sīkākajās detaļās”.
Šis modulācijas veids nodrošina uzticamu eksperimentālu signālu un ļauj mums pārbaudīt, ka tas, ko mēs novērojam, nav artefakts, bet reāla CdGM līdzīgu stāvokļu izpausme. Laba saskaņa starp teorētiskajiem rezultātiem un laboratorijā izmērītajiem vadītspējas spektriem nodrošina stingru modeļa pārbaudi.
Nākotnes pielietojumi: ne tikai fundamentālā fizika
Lai gan darbs nepārprotami attiecas uz fundamentālo pētījumu jomu, tā sekas var būt fundamentālas nozīmes nākotnes kvantu tehnoloģiju izstrādē. Viena no potenciālajām lietojuma jomām ir hibrīdie kvantu simulatori , ierīces, kas ļauj modelēt un pētīt sarežģītas fizikālās sistēmas, kuras nav iespējams aprakstīt ar klasiskajām metodēm.
Kā komentē viens no vadošajiem autoriem Saulius Vaitekenas populāros rakstos publicētajos paziņojumos, šie stāvokļi netika meklēti tieši, bet drīzāk radās, pētot citas sistēmas īpašības. Pēc to identificēšanas viņi saprata, ka „tie bija kas vairāk nekā tikai dīvainība” : tie atvēra durvis jaunām kvantu vadības formām, pat vidēs, kur reāli virpuļi nepastāv.
Turklāt tādu materiālu kā šie pilnībā kontrolējami supravadītspējas pusvadītāju platformas projektēšana ir centrālais elements sacensībā par stabilāku un funkcionālāku kvantu ierīču izstrādi. Detalizēta zināšana par stāvokļiem, kas var rasties šajās struktūrās, palīdzēs uzlabot komponentu projektēšanu kvantu skaitļošanai, sensoriem vai topoloģiskajām shēmām.
Kopīgs sasniegums, kas balstīts uz inovācijām
Šis izrāviens nav vienas grupas darba vai izolēta atklājuma rezultāts.
Tas ir balstīts uz daudzu gadu kopīgu darbu, ko veikuši eksperimentālie fiziķi un teorētiķi kopā ar komandām no Dānijas, Spānijas un ASV. Kā norādīts rakstā, modelēšana tika veikta, izmantojot modeļus, kas izstrādāti iepriekšējā darbā un precizēti, lai atbilstu faktiskajai ģeometrijai un ierīcēs izmantotajiem materiāliem.
Būtiska nozīme bija arī augsti specializētu nanoražošanas instrumentu izmantošanai, piemēram, alumīnija epitaksijas nogulsnēšanai uz InAs nanovadiem un precīzai elektrostatiskā potenciāla kontrolei ar sprieguma vārtiem. Pateicoties šiem sasniegumiem, kļuva iespējams izveidot ierīces, kas ne tikai imitē virpuļus, bet arī ļauj tieši izmērīt to uzvedību, izmantojot skenējošo tunelēšanas spektroskopiju.
Šis pētījumu veids, kas apvieno materiālu projektēšanu, kvantu inženieriju un progresīvu teorētisko modelēšanu, parāda, kā progresīvā fizika attīstās mazos, bet precīzos solīšos. Katra detaļa ir svarīga, sākot no alumīnija slāņa biezuma līdz magnētiskā lauka orientācijai.
