08 октомври 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Квантово вплитане на много атоми е наблюдавано за първи път

Откритието е важно за по-нататъшни изследвания и нови квантови технологии.

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 08 септември 2022 в 00:01 50230
Котката на Шрьодингер с квантова козина: В материала LiHoF4 физици от университетите в Дрезден и Мюнхен са открили нов квантов фазов преход, при който домейните се държат по квантово-механичен начин. Кредит: C. Hohmann, MCQST.

За първи път изследователи наблюдават квантовия ефект, известен като "квантово вплитане", в голям мащаб, включващ много атоми. Техните открития са публикувани в Nature.

Един от основните ефекти на квантовата механика е "принципът на суперпозицията". Според принципа на суперпозицията физическите свойства на дадена частица не могат да бъдат определени, освен ако не се наблюдават пряко. Вместо това частицата заема "суперпозиция" от всички възможни състояния, всяко от които има своя собствена свързана вероятност.

Известният мисловен експеримент, известен като "Котката на Шрьодингер", се опитва да обясни това явление с леко неморални термини.

Шрьодингер ни предлага да си представим котка в кутия. В кутията има и токсично вещество в колба, която, ако се счупи, ще освободи отровата и ще убие котката. Над колбата има чукче, което е електронно свързано с ключ, настроен да се задейства, ако Гайгеров брояч отчете радиоактивно разпадане на радиоактивно вещество, което също се намира в кутията.

Веществото може да претърпи радиоактивен разпад, но може и да не претърпи. Това е вероятностно събитие. Котката жива или мъртва е? Наблюдателят не знае, защото тя не може да бъде видяна.

Мисловният експеримент на Шрьодингер ни води до заключението, че бедната котка се намира в "суперпозиция" - тя е едновременно мъртва и жива.

Когато суперпозицията се прилага върху множество частици, техните физически състояния могат да бъдат свързани. Това се нарича "квантово вплитане". Айнщайн го нарича "призрачно действие на разстояние", защото веднъж вплетена, промяната в едната частица ще се отрази на другата, без значение колко са разделени.

Такова вплитане е много трудно да се наблюдава. То изисква охлаждане на микроскопични обекти до степен, близка до абсолютната нула - най-студената възможна температура.

Материалите се състоят от много атоми. Макроскопичните свойства на материала например магнетизмът, се дължат на микроскопичните свойства и подредба на атомите.

Тези макроскопични свойства се появяват в "домейни" - места в материала, където качествата му са хомогенни от един или друг вид (както котката е жива или мъртва).

Преходът между две различни състояния, дължащ се на микроскопични промени, се нарича "фазов преход" - като например замръзването на течна вода при 0°C, за да се превърне в лед, или кипенето при 100°C, за да се превърне в пара.

Физици, изследващи литиево холмиев флуорид (LiHoF4), откриват напълно нов фазов преход, при който домейните изненадващо проявяват квантовомеханични характеристики, в резултат на което свойствата им се вплитат.

Защо някои са магнити, а други - не

Казано по-просто - движението на електроните във всеки атома създава около него малко магнитно поле. Движещият се по орбита електрон образува вихрообразно магнитно поле.  Но по-голямата част от магнитното поле, се създава не от движението на електрона в орбита около ядрото. Магнитното взаимодействие между електроните в един атом се определя от ориентацията на магнитния "спин" на всеки електрон - квантово механично свойство, описващо вътрешния ъглов момент, който за елементарните частици има само две възможности или "нагоре", или "надолу".

Чувствителни към магнитното поле се електроните от външните обвивки и те определят магнетизма на материалите.

Така в някои атоми с нечетен брой електрони (каквито са феромагнитните елементи) се съдържат несдвоени електрони и поне един некомпенсиран спинов магнитен диполен момент. Орбиталите на съседно разположените атоми се припокриват, а състоянието, при което спиновете на несдвоените електрони са успоредни е енергийно най-изгодно.

спонтанно нарушение на симетрията
Вляво: немагнитен образец без привилегировано направление. Вдясно: магнитен образец  с привилегировано направление.
Илюстрация: elementy.ru

Свойството на феромагнитите да привличат други метали се дължи на сумарното магнитно поле на спиновете на електроните, които се съдържат в тях. 

Всеки атом, притежаващ магнитно поле може да се разглежда като малко магнитче, наречено домейн. В един феромагнит те са подредени. 

При немагнитни материали атомите тази тенденция за нареждане на магнитчетата се преодолява и ефектите на магнитното поле на отделните домейни взаимно се уравновесяват и материалът не се превръща в магнит в макро мащаб. Малките атомни магнитчета се ориентират на случаен принцип и нито една от посоките не е привилегирована.

"Нашата квантова котка вече има нова козина, защото открихме нов квантов фазов преход в LiHoF4, за който досега не се знаеше, че съществува", коментира съавторът Матиас Войта (Matthias Vojta), физик от Дрезденския технологичен университет.

Магнетизмът и свръхпроводимостта са свойства, които се появяват, когато електроните претърпят фазов преход в кристалите. Но когато температурата се доближи до абсолютната нула, започват да се проявяват квантови ефекти като вплитане.

"Въпреки че има повече от 30 години обширни изследвания, посветени на фазовите преходи в квантовите материали, досега предполагахме, че феноменът вплитане играе роля само в микроскопичен мащаб, където включва само по няколко атома", обяснява съавторът Кристиан Пфлайдерер (Christian Pfleiderer) от Мюнхенския технологичен университет (TUM).

При много ниски температури LiHoF4 се превръща във феромагнит, което означава, че всички негови атоми спонтанно подреждат полюсите си и предизвикват превръщането на цялата плоча от материала в магнитна.

Но в присъствието на достатъчно силен външен магнит този феромагнетизъм изчезва напълно. "Ако доближите проба от LiHoF4 до много силен магнит, тя изведнъж престава да бъде спонтанно магнитна. Това е известно от 25 години", обяснява Войта.

Но физиците откриват нещо ново, когато се промени посоката на външното магнитно поле.

"Открихме, че квантовият фазов преход продължава да се случва, докато преди се смяташе, че дори най-малкият наклон на магнитното поле веднага го потиска", обяснява Пфлайдерер.

Цели феромагнитни домени претърпяват квантов фазов преход при промяна на посоката на магнитното поле. Цели острови от магнитни моменти се насочват в една и съща посока.

"Използвахме сферични образци за нашите прецизни измервания. Именно това ни позволи да изследваме прецизно поведението при малки промени в посоката на магнитното поле", добавя първият автор Андреас Вендл (Andreas Wendl) от TUM.

"Открихме изцяло нов тип квантов фазов преход, при който вплитането се осъществява в мащаба на много хиляди атоми, а не само в микрокосмоса на няколко", обяснява Войта.

Екипът смята, че това откритие е важно за изследванията на квантовите явления в материалите, както и за нови технологични приложения.

"Квантовото вплитане се прилага и използва в технологии като квантови сензори и квантови компютри, наред с други неща", добавя Войта.

Справка: Wendl, A., Eisenlohr, H., Rucker, F. et al. Emergence of mesoscale quantum phase transitions in a ferromagnet. Nature 609, 65–70 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04995-5

Източник: Quantum entanglement of many atoms observed for the first time, Cosmos magazine


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.