Fizycy „obserwowali” kota Schrödingera z nowym „futerkiem”

W fizyce kot Schrödingera jest alegorią dwóch najbardziej imponujących efektów mechaniki kwantowej:

splątanie i superpozycja.Naukowcy z Drezna i Monachium zaobserwowali obecnie to zachowanie na znacznie większą skalę niż najmniejsze cząstki. Do tej pory było wiadomo, że materiały o właściwościach takich jak magnetyzm posiadają tzw. domeny – wyspy, w których właściwości materiałów są jednakowe. Gdyby to były kolory, byłyby to czarno-białe wyspy. Jednak badając fluorek litowo-holmowy (LiHoF 4), fizycy odkryli zupełnie nowe przejście fazowe, w którym domeny nagle wykazują właściwości mechaniki kwantowej, powodując splątanie ich właściwości (pozostając jednocześnie czarnym i białym).

„Nasz „kwantowy kot” ma teraz nowe „futro”,ponieważ odkryliśmy nowe kwantowe przejście fazowe w LiHoF 4, o którym wcześniej nie wiedziano”, mówi Matthias Vojta, kierownik Katedry Teoretycznej Fizyki Ciała Stałego na Politechnice w Dreźnie.

Właściwości takie jak magnetyzm lubnadprzewodnictwo powstaje w wyniku przemian fazowych elektronów w kryształach. W przypadku przejść fazowych w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego przy -273,15°C, w grę wchodzą efekty mechaniki kwantowej, takie jak splątanie i kwantowe przejścia fazowe.

W bardzo niskich temperaturach LiHoF 4 działajak ferromagnes, w którym wszystkie momenty magnetyczne są spontanicznie skierowane w jednym kierunku. Jeśli pole magnetyczne zostanie przyłożone dokładnie pionowo do preferowanego kierunku magnetycznego, momenty magnetyczne zmienią kierunek, co nazywamy fluktuacjami. Im wyższa siła pola magnetycznego, tym silniejsze stają się te fluktuacje, aż w końcu ferromagnetyzm całkowicie zniknie w kwantowym przejściu fazowym. Prowadzi to do splątania sąsiednich momentów magnetycznych. „Jeśli przyniesiesz próbkę LiHoF 4 do bardzo silnego magnesu, nagle przestanie on być spontanicznie magnetyczny. Jest to znane od 25 lat – mówi Vojta.

Nowością jest to, co się dzieje, gdy tyzmienić kierunek pola magnetycznego. „Odkryliśmy, że kwantowe przejście fazowe nadal zachodzi, podczas gdy wcześniej sądzono, że nawet najmniejsze nachylenie pola magnetycznego natychmiast je stłumi” – wyjaśnia współautor badania Christian Pfleiderer, profesor topologii układów skorelowanych na Politechnice Monachium. Jednak w tych warunkach kwantowym przemianom fazowym nie ulegają poszczególne momenty magnetyczne, lecz duże obszary magnetyczne, tzw. domeny ferromagnetyczne.

„Użyliśmy próbek sferycznych do naszegoprecyzyjne pomiary. To pozwoliło nam dokładnie zbadać zachowanie niewielkich zmian kierunku pola magnetycznego – dodaje Andreas Wendl, który eksperymenty prowadził w ramach swojej rozprawy doktorskiej.

„Odkryliśmy zupełnie nowy rodzaj kwantuprzejścia fazowe, w których splątanie zachodzi w skali wielu tysięcy atomów, a nie tylko w mikrokosmosie kilku – tłumaczy Vojta. „Jeśli wyobrazisz sobie domeny magnetyczne jako czarno-biały wzór, nowe przejście fazowe powoduje, że białe lub czarne obszary stają się nieskończenie małe, to znaczy tworzą wzór kwantowy i nie rozpuszczają się całkowicie”. Nowo opracowany model teoretyczny z powodzeniem wyjaśnia dane uzyskane z eksperymentów.

Czytaj więcej:

Pierwsze zdjęcia podziemnej części Marsa zaskoczyły naukowców

Galaktyka położona 12 miliardów lat świetlnych od Ziemi „zwinęła się” w pierścień Einsteina

Roślina na Marsie produkuje tlen w tempie przeciętnego drzewa