Desmitgadēm ilgi virkne teorētisko fiziķu prognožu palika neapstiprinātas eksperimentos, neskatoties uz nepārtraukto progresu zinātnisko instrumentu izstrādē. Tagad kvantu fizikas eksperiments, kas izstrādāts Dānijā, ir novedis pie vēsturiska atklājuma, ko daudzi uzskatīja par neiespējamu.
Satura rādītājs
Publikācija prestižā zinātniskā žurnālā atklāja novatorisku metodi, kas, atkāpjoties no ierastā ceļa, ļāva iegūt piekļuvi kvantu parādībai, ko praktiski nav iespējams novērot. Atklājums paver jaunas iespējas eksotisko vielas stāvokļu pētniecībā.
Kādu vēsturisku atklājumu zinātne gaidīja 65 gadus?
1964. gadā fiziķi Karoli, de Ženē un Matriksons izvirzīja teoriju par īpašu kvantu stāvokļu esamību, kas varētu rasties dažu supravadītspējīgu materiālu virpuļos.
Šis paredzējums, lai gan bija pamatots, palika bez tiešas demonstrācijas. Problēma bija grūtībās atšķirt šos stāvokļus, ņemot vērā tolaik eksperimentālos ierobežojumus, šķērslis, kas saglabājās vairāk nekā sešus gadu desmitus.
Šķērslis nebija teorētisks, bet tehnisks. Lai tieši novērotu tā saukto CdGM stāvokļu, bija nepieciešama enerģētiska precizitāte, ko ar parastajām tehnoloģijām nevarēja sasniegt.
Tagad Nilsa Bora institūta pētnieki ir izdomājuši citu pieeju, kas ļauj pētīt šo kvantu parādību, neizmantojot to sākotnējā formā. Vēsturiskais atklājums tika panākts nevis tieši, bet gan kontrolējot tā apstākļu atkārtošanu, kādos tas notiek.
Kas ir CdGM stāvokļi un kāpēc tie bija neredzami?
Karoli–de Žena–Matrikona (CdGM) stāvokļi rodas kvantu virpuļos II tipa supervadītājos. Šajā vidē, kur materiāls uz laiku zaudē savu supervadītspēju, daļiņu uzvedība pakļaujas noteikumiem, kas atšķiras no parastajiem .
Galvenais šķērslis to atklāšanai bija enerģijas sadalījums starp šiem stāvokļiem, kas ir niecīgs salīdzinājumā ar standarta mūsdienu instrumentu mērogiem.
Saskaņā ar rakstu, kas publicēts Physical Review Letters , atšķirība ir apmēram Δ/EF, kas var sasniegt vienu desmit tūkstošo daļu. Tas padara to novērošanu praktiski neiespējamu parastajos metāla materiālos .
Mākslīgi virpuļi: zinātnieku trumpis šajā pētījumā
Saskaroties ar reālu virpuļu novērošanas grūtībām, Nils Bora institūta komanda izvēlējās citu stratēģiju. Tā vietā, lai meklētu šo parādību tā dabiskajā vidē, viņi izveidoja mākslīgu struktūru, kas atkārto apstākļus, kas nepieciešami gaidāmo kvantu stāvokļu parādīšanās.
Šim nolūkam viņi izmantoja indija arsenīda (InAs) nanovadus, kas pārklāti ar alumīnija slāni, izveidojot cilindrisku apvalku no supervadītāja un pusvadītāja.
Pieliekot šai struktūrai aksiālu magnētisko lauku, viņi spēja izraisīt kontrolētu deformāciju supervadītājā fāzē. Šis efekts imitē mākslīga virpuļa parādīšanos, ļaujot rasties CdGM stāvokļu analogiem. No tehniskā viedokļa tika radītas Van Hoeva singulārās, kas darbojas kā pieejamas sākotnējo kvantu stāvokļu kopijas.
Turklāt šī sistēma ļauj regulēt tādu parametru kā pārklājuma biezums vai magnētiskā lauka intensitāte, nodrošinot pilnīgu kontroli pār modelēto kvantu vidi.
Tādējādi pētnieki var novērot un mainīt šo stāvokļu uzvedību , kas nav iespējams reālā supervadītā.
Kas ir Litla–Parka efekts un kāda ir tā loma eksperimentā?
Viens no eksperimenta galvenajiem aspektiem ir šī parādības apstiprināšana ar labi dokumentētu svārstību uzvedību: Littla–Parka efekts . Šis efekts, kas atklāts 1962. gadā, parāda, kā supervadītāja kritiskā temperatūra periodiski mainās, tam piemērojot magnētisko plūsmu.
Dānijas pētījumā tika atklāta daļveida struktūra supervadītspējas sistēmas enerģētiskajā plaisā, ko modulē magnētiskais lauks. Apgabalos, kas atbilst šīm daļām, parādījās dispersijas stāvokļi, kas atbilst prognozēm par sintētiskajiem CdGM stāvokļiem.
Asimetrija, kas novērota šajos veidojumos, vēl vairāk apstiprina modeļa pamatotību . Pēc pētnieku teiktā, iegūtie vadītspējas spektri atbilst teorētiskajiem aprēķiniem, apstiprinot, ka tie nav eksperimentāli artefakti.
Ceļā uz jaunām kvantu platformām
Papildus teorētiskajai nozīmei, šim vēsturiskajam atklājumam ir ievērojamas sekas kvantu materiālu zinātnē . Spēja modelēt virpuļus un pētīt stāvokļus, kas rodas to iekšienē kontrolētā vidē, ir ievērojams sasniegums.
Konkrēti, šīs sistēmas varētu kalpot kā platformas hibrīdiem kvantu simulatoriem — instrumentiem, kas paredzēti sarežģītu fizikālo sistēmu modelēšanai.
Saskaņā ar fizikā Saulius Vaitekenas teikto, kas citēts populārzinātniskos rakstos, stāvokļi nebija eksperimenta sākotnējais mērķis, bet drīzāk parādījās kā citu īpašību pētījumu rezultāts . Nosakot to dabu, viņi saprata, ka tās varētu būt ceļš uz jaunu kvantu vadības stratēģiju izstrādi.
Vēsturisks un starptautisks atklājums: kā tika sasniegts nesasniedzamais
Šis izrāviens nav vienas komandas darba rezultāts, bet drīzāk starptautiskas sadarbības rezultāts, kurā piedalījās pētnieki no Dānijas, Latvijas un ASV .
Teorētiskā modeļa izstrāde tika apvienota ar nanoražošanas metodēm, piemēram, alumīnija epitaksijas nogulsnēšanu un sprieguma slēdžu izmantošanu elektrostatiskā potenciāla modulēšanai.
Precizitāte, kas tika sasniegta sistēmas projektēšanā un būvniecībā, bija izšķiroša. Tādas detaļas kā alumīnija biezums un magnētiskā lauka precīza orientācija bija ļoti svarīgas.
Eksperiments ir piemērs tam, kā kvantu fizikas pētījumi balstās uz nelieliem kumulatīviem uzlabojumiem, kas laika gaitā apstiprina prognozes, kas šķita nesasniedzamas .
