Они тонкие, как волос, только в сто тысяч раз тоньше-так называемые двумерные материалы, состоящие из одного слоя атомов, уже много лет бурно развиваются в исследованиях. Они стали известны широкой аудитории, когда два российско-британских ученых были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году за открытие графена, строительного блока графита. Особенностью таких материалов является то, что они обладают новыми свойствами, которые могут быть объяснены только с помощью законов квантовой механики и которые могут быть актуальны для усовершенствованных технологий. Исследователи из Боннского университета (Германия) теперь используют ультрахолодные атомы, чтобы получить новое понимание ранее неизвестных квантовых явлений. Они обнаружили, что магнитные порядки между двумя связанными тонкими пленками атомов конкурируют друг с другом. Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Квантовые системы реализуют очень уникальные состояния материи, происходящие из мира наноструктур. Они облегчают широкий спектр новых технологических приложений, например, способствуют безопасному шифрованию данных, вводят все более мелкие и быстрые технические устройства и даже позволяют разработать квантовый компьютер. В будущем такой компьютер мог бы решать задачи, которые обычные компьютеры не могут решить вообще или только в течение длительного периода времени.

Как возникают необычные квантовые явления, до сих пор далеко не до конца понятно. Чтобы пролить свет на это, группа физиков во главе с проф. Майкл Кель из Центра квантовых вычислений matter and Light for Quantum Computing Cluster of Excellence в Боннском университете использует так называемые квантовые симуляторы, которые имитируют взаимодействие нескольких квантовых частиц-то, что невозможно сделать обычными методами. Даже самые современные компьютерные модели не могут вычислить сложные процессы, такие как магнетизм и электричество, до мельчайших деталей.

Ультрахолодные атомы имитируют твердые тела

Имитатор, используемый учеными, состоит из ультрахолодных атомов-ультрахолодных, потому что их температура всего на одну миллионную градуса выше абсолютного нуля. Атомы охлаждаются с помощью лазеров и магнитных полей. Атомы расположены в оптических решетках, то есть в стоячих волнах, образованных наложением лазерных лучей. Таким образом, атомы имитируют поведение электронов в твердом состоянии. Экспериментальная установка позволяет ученым проводить самые разнообразные эксперименты без внешних модификаций.

В рамках квантового симулятора ученым впервые удалось измерить магнитные корреляции ровно двух связанных слоев кристаллической решетки. "Благодаря силе этой связи мы смогли повернуть направление, в котором формируется магнетизм, на 90 градусов—без изменения материала каким-либо другим способом", - объясняют первые авторы Никола Вурц и Марселл Галл, докторанты исследовательской группы Майкла Келя.

Для изучения распределения атомов в оптической решетке физики использовали микроскоп высокого разрешения, с помощью которого они могли измерять магнитные корреляции между отдельными слоями решетки. Таким образом, они исследовали магнитный порядок, то есть взаимное выравнивание атомных магнитных моментов в моделируемом твердом состоянии. Они наблюдали, что магнитный порядок между слоями конкурирует с первоначальным порядком внутри одного слоя, заключая, что чем сильнее слои связаны, тем сильнее корреляции формируются между слоями. В то же время корреляции внутри отдельных слоев уменьшились.

Новые результаты позволяют лучше понять магнетизм, распространяющийся в системах связанных слоев на микроскопическом уровне. В будущем полученные результаты должны помочь сделать прогнозы о свойствах материала и достичь новых функциональных возможностей твердых тел, среди прочего. Поскольку, например, высокотемпературная сверхпроводимость тесно связана с магнитными связями, новые открытия могут в долгосрочной перспективе способствовать разработке новых технологий, основанных на таких сверхпроводниках.

Материя и Свет для квантовых вычислений (ML4Q) Кластер передового опыта

Материя и Свет для квантовых вычислений (ML4Q) Кластер передового опыта - это исследовательское сотрудничество университетов Кельна, Ахена и Бонна, а также Forschungszentrum Jülich. Он финансируется в рамках Стратегии передового опыта федерального правительства Германии и правительства штатов. Целью ML4Q является разработка новых вычислительных и сетевых архитектур с использованием принципов квантовой механики. ML4Q развивает и расширяет взаимодополняющий опыт в трех ключевых областях исследований: физике твердого тела, квантовой оптике и квантовой информатике.

Кластер передового опыта встроен в Трансдисциплинарную исследовательскую область" строительные блоки материи и фундаментальные взаимодействия " в Боннском университете. В шести различных TRAs ученые из широкого спектра факультетов и дисциплин собираются вместе, чтобы работать над будущими актуальными исследовательскими темами.

ИСТОЧНИК