Natuurkundigen 'observeerden' Schrödinger's kat met nieuwe 'vacht'

In de natuurkunde is de kat van Schrödinger een allegorie voor twee van de meest indrukwekkende effecten van de kwantummechanica:

verstrengeling en superpositie.Onderzoekers uit Dresden en München hebben dit gedrag nu op veel grotere schaal waargenomen dan de kleinste deeltjes. Tot nu toe was bekend dat materialen met eigenschappen zoals magnetisme zogenaamde domeinen hebben: eilanden waarin de eigenschappen van de materialen uniform zijn. Als dit kleuren waren, zouden het zwart-witte eilanden zijn. Maar door lithiumholmiumfluoride (LiHoF 4) te bestuderen hebben natuurkundigen een geheel nieuwe faseovergang ontdekt waarbij de domeinen plotseling kwantummechanische eigenschappen vertonen, waardoor hun eigenschappen met elkaar verstrengeld raken (zowel zwart als wit blijven).

“Onze “quantum cat” heeft nu een nieuwe “vacht”,omdat we een nieuwe kwantumfase-overgang in LiHoF 4 hebben ontdekt waarvan het bestaan ​​niet eerder bekend was”, zegt Matthias Vojta, hoofd van de afdeling Theoretical Solid State Physics aan de Technische Universiteit van Dresden.

Eigenschappen zoals magnetisme ofsupergeleiding ontstaat als gevolg van faseovergangen van elektronen in kristallen. Voor faseovergangen bij temperaturen die het absolute nulpunt naderen bij -273,15 °C, spelen kwantummechanische effecten zoals verstrengeling en kwantumfaseovergangen een rol.

Bij zeer lage temperaturen werkt LiHoF 4als een ferromagneet waarin alle magnetische momenten spontaan in één richting worden gericht. Als een magnetisch veld precies verticaal op de gewenste magnetische richting wordt aangelegd, zullen de magnetische momenten van richting veranderen, ook wel fluctuaties genoemd. Hoe hoger de magnetische veldsterkte, hoe sterker deze fluctuaties worden, totdat uiteindelijk ferromagnetisme volledig verdwijnt in een kwantumfaseovergang. Dit leidt tot verstrengeling van aangrenzende magnetische momenten. "Als je een monster van LiHoF 4 naar een zeer sterke magneet brengt, stopt het plotseling spontaan magnetisch te zijn. Dat is al 25 jaar bekend”, zegt Vojta.

Wat nieuw is, is wat er gebeurt als jeverander de richting van het magnetische veld. “We ontdekten dat de kwantumfase-overgang zich blijft voordoen, terwijl voorheen werd gedacht dat zelfs de kleinste kanteling van het magnetische veld deze onmiddellijk zou onderdrukken”, legt co-auteur Christian Pfleiderer uit, hoogleraar topologie van gecorreleerde systemen aan de Technische Universiteit. van München. Onder deze omstandigheden zijn het echter niet de individuele magnetische momenten die kwantumfaseovergangen ondergaan, maar eerder grote magnetische gebieden, de zogenaamde ferromagnetische domeinen.

“We gebruikten bolvormige monsters voor onzeprecisie metingen. Hierdoor konden we het gedrag van kleine veranderingen in de richting van het magnetische veld nauwkeurig bestuderen”, voegt Andreas Wendl toe, die de experimenten uitvoerde als onderdeel van zijn proefschrift.

“We hebben een compleet nieuw type kwantum ontdektfaseovergangen, waarin verstrengeling optreedt op de schaal van vele duizenden atomen, en niet alleen in de microkosmos van een paar, legt Vojta uit. "Als je je de magnetische domeinen voorstelt als een zwart-wit patroon, zorgt de nieuwe faseovergang ervoor dat de witte of zwarte gebieden oneindig klein worden, dat wil zeggen dat ze een kwantumpatroon creëren en niet volledig oplossen." Een nieuw ontwikkeld theoretisch model verklaart met succes de gegevens die uit de experimenten zijn verkregen.

Lees verder:

De eerste beelden van het ondergrondse deel van Mars verrasten wetenschappers

Een melkwegstelsel op 12 miljard lichtjaar van de aarde 'opgerold' in een Einstein-ring

Plant op Mars produceert zuurstof met de snelheid van een gemiddelde boom