Физици създават управляема спинова течност. Що е то квантова спинова течност?

Ваня Милева Последна промяна на 09 декември 2021 в 10:48 20299 1

Нов начин за вплитане на светлина и звук

Линиите на поляризация, подпис на магнитни полета, около сянката на централната свръхмасивна черна дупка на Млечния път.

25/11/2024

Аксионната тъмна материя може да направи вълни в пространство-времето

Изследователи от Харвард наблюдават състояние на материята, предсказано и преследвано в продължение на 50 години, но и досега невиждано.

През 1973 г. физикът Филип Андерсън предсказва теоретично съществуването на ново състояние на материята, което е било основен фокус в надпреварата за квантови компютри.

За първи път физиците успяват да реализират спинова течност, използвайки двумерна решетка от атоми. Те не само са проверили дали създаденото състояние има необходимите свойства, но и са се научили как да ги променят. Възможността за манипулиране на такава система ще помогне за създаването на сигурни топологични кубити.

Работата е публикувана в списание Science.

Спиновата течност е предсказана от Филип Андерсън преди 50 години и едва почти 40 години по-късно учените успяват да я открият експериментално – в редкия минерал хербертсмитит.

Въпреки името й, това състояние на материята няма нищо общо с течностите, които виждаме в ежедневието си, като водата. Вместо това става дума за магнити, които никога не замръзват, и за начина, по който сочат спиновете на електроните в тях. При обикновените магнити, когато температурата падне под определена стойност, електроните се стабилизират и образуват твърдо парче материя с магнитни свойства. В квантовата спинова течност електроните не се стабилизират при охлаждане, не се преобразуват в твърдо вещество, а постоянно се променят и колебаят (като течност).

Физиците се стремят да намерят, създадат и изучат спиновата течност заради това, че спиновете в нея са вплетени един с друг.

Повече може да научите в карето долу.

Спиновата течност

Спиновата течност е много рядко магнитно състояние на материята; известни са само няколко примера за такива материали. Спиновата течност е много рядко магнитно състояние на материята - известни са само няколко примера за такива материали.

Какво представляват спиновете?

Всички твърди тела са изградени от атоми - ядра и електрони. В много вещества електроните са локализирани, тоест всеки електрон е разположен до своя атом. Тези вещества са изолатори. Но въпреки това електроните в тях имат допълнителна квантова степен на свобода - спин. Обикновено може да изглежда 'нагоре' или 'надолу', има стойност от -1/2 и +1/2. Освен тези две основни състояния съществува и суперпозиция (припокриване), която може да се опише така, сякаш спинът гледа и в някаква друга посока. Ако веществото е с висока температура, тогава спиновете на различните атоми сочат в различни посоки. Но те взаимодействат помежду си и затова се обръщат много бързо.

При ниски температури, в вещества с локализирани електрони, посоките на спиновете обикновено са подредени. Това се дължи на факта, че спиновете взаимодействат помежду си и "искат" да намалят енергията на взаимодействието. В зависимост от това как е подредена кристалната решетка и това взаимодействие между спиновете, могат да възникнат различни видове подреждане.

^{Подреждане на спиновете във феромагнити}

Да кажем, че ако всички спинове сочат в една и съща посока, тогава получаваме феромагнит. Може да се намагнетизира дори при липса на магнитно поле. Ако гърбовете се редуват - гледайки нагоре и надолу - получаваме антиферомагнит. Подреждането може да бъде още по-сложно: на триъгълна решетка 1/3 от завъртанията могат да бъдат обърнати в едната посока, 1/3 в другата и 1/3 в третата. Има спираловидни подредби и много други възможности.

И ако температурата е достатъчно висока, тогава спиновете не могат да бъдат подредени?

Ако температурата е по-голяма от енергията на взаимодействие между спиновете, тогава в първото приближение те изглеждат в произволна посока.

_{Подреждане на спиновете в антиферомагнетици}

Можем да кажем, че ситуацията, когато спиновете са подредени, е аналогична на твърдо тяло. Така че, при висока температура, молекулите на течност или газ се движат произволно, а при ниска температура те се подреждат в кристал. Материал с висока температура и без подреждане на спиновете, иначе се нарича парамагнит, той е аналог на газ, а материал при ниска температура, с подредени спинове, е аналог на твърдо вещество.

Какво е спинова течност?

Спиновата течност обикновено съответства на състоянието на тялото при ниска температура, тоест когато температурата е много по-ниска от енергията на взаимодействие. Но за разлика от повечето материали, спиновата течност не се подреждат дори при свръхниски температури. Вместо това те образуват колективно вплетени състояния. Това е квантов феномен.

Как работи това вплитане?

Зависи от детайлите на спиновото взаимодействие. Да речем, че имаме два спина, които си взаимодействат антиферомагнитно. Те се опитват да се ориентират в посока, обратна един на друг, но тази посока не е дефинирана. Например първият може да гледа нагоре, а вторият надолу и това състояние е в суперпозиция с другото, когато първият гледа надолу, а вторият нагоре.

Ако вземем не два спина, а цяла спинова верига с антиферомагнитно взаимодействие, тогава спиновете ще се опитват да повторят ситуацията по-горе във всяка двойка - както със съседа отляво, така и със съседа отдясно. Резултатът е нещо доста сложно. Можем да се каже, че състоянието във веригата на спиновете е на границата между реда и безпорядъка.

_{Пример за решетка на Кагоме}

Ако вземем двумерния случай, тогава всичко зависи от решетката. В повечето случаи спиновете се подреждат. Но има една решетка, в която няма подреждане в случай на обичайно взаимодействие.

Това е решетката на Кагоме, на която спиновете образуват спинова течност.

Открити ли са вещества, които отговарят на тази решетка?

Нужни бяха десетилетия, за да се намери такова вещество - спинова течност. Това е хербертсмитит и два други органични материала. Първият от тях има кристална решетка - Кагоме, а последните две - триъгълна. Течността върху тях се получава с други свойства.

^{Вляво: Хербертсмитит кристална решетка (M. R. Norman, arXiv.org, 2016), вдясно: Хербертсмитит, минерал с кристална решетка от типа Кагоме, в който за първи път е открито състоянието спинова течност. Формула на веществото: ZnCu₃ (OH)₆Cl₂}

За триизмерния случай изчисленията са непосилни - нужен е квантов компютър:

^{via GIPHY}

По отношение на квантовите изчисления, спиновата течност предоставя уникална платформа за създаване на естествени кубити, защитени от грешки. Но е трудно да се извършват изчисления върху минерал или друг материал, тъй като не е ясно как ще се контролира, така че най-сигурният начин е да се създаде такава система.

И това се оказа възможно – екип от учени, ръководен от Михаил Лукин (Mikhail Lukin) от Харвардския университет, реализира спинова квантова течност, използвайки двуизмерен масив от 219 Ридбергови атома. Изследователите обосноват връзката между създадената система и модела на спиновата течност, показват при какви условия тяхната система преминава в желаното състояние. За да тестват всички предположения, авторите са използвали нелокални измервания, чието влияние също са успели да демонстрират. Освен това сглобената система се оказва контролируема и управляема, което говори за нейните перспективи за квантовите изчисления.

^{А) Структура на решетката на Кагоме, подреждане на атоми, димери, B) радиусът на Ридберговата блокада, C) състоянието на квантовата спинова течност като суперпозиция на състояния в решетката. Кредит: G. Semeghini et al. / Science, 2021}

Решетката на Кагоме, комбинация от шестоъгълни и триъгълни решетки, прави възможно получаването на подходящи позиции на атомите и техните взаимодействия. Атомите в такава решетка са разположени на стените в определен порядък: някои от тях образуват двойки и образуват димери, докато други остават мономери. Създава се димерна връзка между атомите заради тяхното възбуждане (преход от най-ниско енергийно състояние към състояние с по-висока енергия). Освен това атомите, в резултат на взаимодействие с възбуден съсед, променят енергията си и става невъзможно да се възбудят със същата честота. Това явление се нарича блокада на Ридберг и позволява да се организира решетката така, че точно един димер да бъде във всеки връх. Ако броят на димерите се окаже четири пъти по-голям от броя на мономерите в решетката, тогава тя се превръща в квантова спинова течност.

Освен специалното подреждане на атомите, авторите са избрали разстоянието между атомите в решетката и честотата на Раби така, че радиусът на блокадата на Ридберг на възбуден атом да обхваща шест от най-близките му съседи.

^{Пример за измервания от оператора за четност - ако пунктираната линия ---- пресича димера, тогава се появява знак минус}
^{Кредит: G. Semeghini et al. / Science, 2021}

След като учените са получили необходимото запълване на решетката (има четири пъти повече димери), те наблюдават еволюцията на системата и нейния отговор на бавното нарушение на честотата на Раби, което от своя страна повлиява на радиуса на блокадата на Ридберг и пълненето на решетката.

Учените спират този процес в различни точки и разглеждат плътността на Ридберговото възбуждане. Авторите успяват да уловят три ситуации: има мономер в горната част на решетката, един димер или два пресичащи се димера. За да се създаде спинова течност, вторият случай е подходящ, когато има един димер на върха и физиците са успели да установят необходимите стойности на честотата на Раби и нейното разстройване, при което това условие е изпълнено в 80% от случаите.

Следващата стъпка са измерванията. Спиновата течност е измерена от два типа оператори: единият позволяваше определяне на четността на произволна верига, пресичаща лицето на решетката (Z), а вторият е отговорен за проверка на квантовата кохерентност (X). Резултатът от измерването от първия оператор за димер е −1, след което, в зависимост от това какво пресича веригата (ако ръбът е с димер, тогава −1, ако не, тогава +1), отчита се и усреднява се четността на два елемента и така нататък, докато веригата свърши... Вторият изисква промяна на състоянието на решетката (състоянието все още е спинова течност, но подредбата на димерите се променя) и наблюдения за четността на определени вериги. Авторите описват тази промяна с помощта на част от решетката - триъгълник - която изглежда се върти, променяйки четността на фиксираните вериги. Измерванията показват, че атомите са в различни състояния с определени вероятности, тоест в състояние на суперпозиция.

Експериментите и измерванията, извършени от физиците върху системата, потвърждават, че нейното поведение се описва от модела на спиновата течност и че може да се контролира.

Изследователският екип наблюдава това състояние на материята с помощта на програмируем квантов симулатор, който лабораторията е разработила първоначално през 2017 г. Симулаторът е специален вид квантов компютър, който позволява на изследователите да създават програмируеми форми като квадрати, пчелни пити или триъгълни решетки за проектиране на различни взаимодействия и вплитания между ултрастудени атоми. Използва се за изследване на множество сложни квантови процеси.

Идеята за използване на квантовия симулатор е да може да възпроизвежда същата физика, както в системите с кондензирана материя, особено със свободата, която позволява програмирането на системата.

Изследователите планират да използват програмируемия квантов симулатор, за да продължат да изследват квантовите спинови течности и как те могат да бъдат използвани за създаване на по-стабилни кубити. В крайна сметка кубитите са основните градивни елементи, с които работят квантовите компютри и източникът на тяхната огромна изчислителна мощност.

„Ние показваме първите стъпки как да създадем този топологичен кубит, но все още трябва да демонстрираме как всъщност може да се кодира и манипулира“, казва квантовият физик Джулия Семегини (Giulia Semeghini) от Харвардския университет. "Сега има много повече за изследване."

Справка: “Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator” by G. Semeghini, H. Levine, A. Keesling, S. Ebadi, T. T. Wang, D. Bluvstein, R. Verresen, H. Pichler, M. Kalinowski, R. Samajdar, A. Omran, S. Sachdev, A. Vishwanath, M. Greiner, V. Vuletic and M. D. Lukin, 2 December 2021, Science.
DOI: 10.1126/science.abi8794

Източници:

Harvard Scientists Observe Quantum Spin Liquids – A Never-Before-Seen State of Matter
Harvard University

Scientists Observe Quantum Spin Liquids: A State of Matter We've Never Seen Before, sciencealert

Още по темата

06/04/2016
Физика

Ново квантово състояние на материята - спинова течност