Krympet Krystal Afslører En Spookier Entanglement State

{h1}

En ny kvante tilstand er blevet opdaget i en krystal, som kunne producere nye former for elektronik.

Ligesom par af spindende dansere, der pludselig danner en kvartet, kan de magnetiske "spins" af elektroner blive viklet ind i grupper af fire nye forskningsresultater.

Den nye kvante tilstand, kaldet en plaquette-singlet, løser et langvarigt spørgsmål om kvantemekanik, de mystiske love, som styrer opførelsen af ​​små subatomære partikler. Arbejdet kan også åbne vejen for nye former for elektronik, der går ud over den binære logik på 0 og 1 i alle moderne computere.

I den nye forskning tog fysikeren Mohamed Zayed, en fysiker ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Schweiz, og kollegerne et stykke strontium-kobberborat, en forbindelse svarende til højtemperatur superledere og satte den under højt tryk under afkøling til et par grader over absolut nul. Da de spredte op i trykket, fandt de ud af, at elektronerne i materialet kom ind i en tilstand, som ingen nogensinde havde set før, hvor elektronernes magnetiske spindinger var sammenfaldet med hinanden i grupper på fire. En sådan stat var forudsagt, men aldrig faktisk observeret. [De 18 største uløste mysterier i fysik]

Sådanne statsændringer (kaldet faseændringer) er grundlaget for moderne elektronik, sagde Zayed. For eksempel arbejder halvledere, fordi de formaterer fra isolatorer til ledere ved specifikke spændinger, drejer kredsløbene "on" og "off". Denne evne til at skifte fra "on" til "off" skaber 0'erne og 1'erne, der danner den binære logik som kernen i computerberegninger.

Hvis man udnytter en faseovergang - det med en isolator, der skifter til en leder - fører til binær computerteknologi, kan "mastering af nogle af de andre tilgængelige faseovergange føre til helt nye teknologier, der er svært at forestille sig på dette stadium," sagde Zayed i en email til WordsSideKick.com.

Højtryksfænomen

Forskere vidste allerede, hvordan strontium kobberborat opførte sig ved lavt tryk. Materialet danner et todimensionalt gitter, med alle elektronerne lagt ud som et sæt kvadratiske fliser. Hver elektron har en "spin" - man kan forestille dem som små magneter, med spin beskrevet som "op" eller "ned". (Faktisk er spin bare en matematisk måde at beskrive de magnetiske felter omkring elektronen og er ikke en roterende genstand).

Elektronadfærd styres af kvantemekanik, så spinnene kan kun have diskrete værdier. Endvidere kan kvantemekaniske partikler indvikles - nogle egenskaber kan forbindes således, at partiklerne opfører sig som en enkelt enhed. I dette tilfælde er par af elektroners spinder indviklet. [Infographic: Hvordan Quantum Entanglement Works]

Når trykket går op, ændrer arrangementet af elektronerne lidt, fordi afstanden mellem elektroner ændres. EPFL holdet udsatte strontium kobberborat til tryk så højt som 800.000 pounds per kvadratcentimeter (55.000 atmosfærer). Ved ca. 21.500 atmosfærer ændredes noget: elektronernes spinder blev indviklet i grupper på fire i stedet for to - en tilstand kaldet en plaquette-singlet.

For at "se" den nye kvantestat, fyrede forskerne neutroner i den eksperimentelle prøve; neutroner har null ladning, men de har et magnetfelt, og neutronernes opførsel, efter at de har ramt strontiumforbindelsen, afslørede elektronernes forstyrrende tilstand.

Forudsiger kompleks adfærd

Mens den pågældende kvante tilstand var blevet forudsagt før, var ingen sikker på, at det rent faktisk ville ske, sagde studieforfatteren Henrik Rønnow, en kvantefysiker også hos EPFL. En af grundene er, at matematikken er vanskelig at gøre; det var en af ​​flere muligheder.

Teoretikere har beregnet partiklernes adfærd i endimensionelle indstillinger (forestil elektronerne i en lige linje) og et par todimensionale. Men flerpartikel 2D-systemer bliver mere komplekse.

"To partikler er lette at håndtere," siger Rønnow til WordsSideKick.com. "Men det er svært at lave de samme beregninger for mere end to partikler." Når du kommer til 20 eller 30 partikler, vil de bedste computere ikke løbe tør for damp. "

En teori kaldet Shastry-Sutherland-modellen forudsiger, hvordan et 2D-gitter af elektroner i strontiumforbindelsen skal opføre sig; det har det, der kaldes nøjagtige løsninger, så længe tryk og temperatur er relativt lave (hvilket betyder mindre end titusindvis af tryktryk og næsten absolut nul). Matematikken var mindre sikker under forskellige forhold, og dermed de eksperimentelle tests.

Nu da de ved hvad der sker, siger Rønnow, at det er muligt at forfine teorier om, hvordan partikler opfører sig, især i solid state systemer. "Det åbner et felt for mere undersøgelse af at sammenligne teori til at eksperimentere," sagde han. "Vi havde måske ti forskellige teorier, der forsøgte at forudsige, hvad der ville ske her. Nu kan teoretikere gå tilbage og sige, hvad der gik galt."

Undersøgelsen optrådte 17. juli i tidsskriftet Nature Physics.

Oprindeligt udgivet på WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com