I mere end seks årtier var et fænomen, der var forudsagt i kvanteteorien, et mysterium, som kun fysikere havde begrænset kendskab til. Det var de såkaldte Caroli-de Gennes-Matricona-tilstande, en kvantestruktur, som man formodede fandtes i kernen af hvirvler, der opstår i visse superledende materialer. På trods af teknologiske fremskridt var det imidlertid næsten umuligt at påvise dem direkte. Nu, takket være et genialt system udviklet ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, er denne gamle gåde ved at blive løst. Det lyder alt sammen lidt mærkeligt, så vi vil forklare det i enkle vendinger.
Opdagelsen, der er offentliggjort i Physical Review Letters , blev ikke mulig ved at opdage tilstandene i deres naturlige form, men ved at genskabe en syntetisk, kontrolleret version af det miljø, hvor de dannes . I stedet for direkte at jage en ægte kvantehvirvel, fremstillede forskerne et nanoskopisk system, der efterligner de nødvendige betingelser. Ligesom forsøg på at finde bagdøren til et rum, der har været låst i mange år, gjorde denne eksperimentelle genvej det muligt at visualisere og undersøge disse flygtige kvantetilstande.
- Videnskab
Fysikere skaber kvantehvirvler, der forbinder to verdener: superfluid og superfast.
- Eugenio M. Fernandez Aguilar
Hvad blev forudsagt i 1960’erne, og hvorfor var det så svært at se?
I 1964 foreslog fysikerne Caroli, de Gennes og Matricon, at der i kernen af en hvirvel i en type II-superleder skulle opstå bestemte sammenhængende kvantetilstande, der var begrænset af systemets energi. Disse tilstande er nu kendt som CdGM-tilstande . Deres betydning ligger i, at de er direkte manifestationer af, hvordan kvantpartikler opfører sig under ekstreme betingelser med begrænsninger og symmetribrud.
Problemet var, at disse tilstande var adskilt af små energiskalaer, der var meget mindre end dem, som standardeksperimenter kan opnå. Ifølge en videnskabelig artikel er »energiskillene mellem CdGM-tilstande mindre end den superledende spalte, Δ, med en faktor på Δ/EF«. Dette forhold, Δ/EF, er normalt ekstremt lille, i størrelsesordenen en tiendedel, hvilket forhindrer direkte observation af disse tilstande i almindelige metalliske materialer.
Hvad er kvantehvirvler egentlig
Når en type II-superleder udsættes for et moderat magnetfelt, blokerer den ikke dette felt fuldstændigt, som andre materialer gør. I stedet siver feltet ind i superlederen og danner små usynlige rør, der kaldes kvantehvirvler . Inde i hver af disse cirkulerer den mindst mulige mængde magnetfelt, som altid er den samme. Det kan ikke opdeles eller justeres: det er som en standardmålestok, som naturen ikke tillader at opdele.
I centrum af hvirvelen mister materialet kortvarigt sin superledende evne, hvilket skaber et unikt miljø, hvor særlige kvantetilstande kan opstå. Omkring det roterer superlederens egenskaber i en ordnet spiral, der kun kan dannes under disse betingelser. Hvirvelen er ikke bare en anomali, men en stabil og fundamental struktur, der er ideel til at observere fænomener, som normalt er skjult for vores instrumenter.
Kunstige hvirvler: en alternativ måde at observere det uobserverbare
Da det ikke er muligt at få direkte adgang til disse tilstande, besluttede forskerne at udvikle et system, der nøjagtigt efterligner forholdene i en kvantehvirvel , men i en anden struktur.
De brugte indiumarsenid (InAs) nanotråde, der var fuldstændigt indkapslet i et tyndt lag aluminium, hvilket dannede det, der kaldes en fuldlags superledende-halvledende nanobeklædning .
Essensen af konstruktionen er, at når der påføres et aksialt magnetfelt til denne cylindriske struktur, inducerer magnetstrømmen en hvirvel i den superledende fase og skaber en slags kunstig hvirvel. Dette system genererer »analoger til CdGM-tilstande i form af Van Hove-egenskaber i dispersionsmonodimensionelle bånd«. Med andre ord observeres ikke selve hvirvelen, men dens funktionelle ækvivalent, som er mere tilgængelig for moderne eksperimentel teknologi.
Denne tilgang tillader også valgfri manipulation af systemparametre, såsom tykkelsen af det superledende belægning eller det påførte magnetfelt. På denne måde kan forskerne undersøge, hvordan disse tilstande opstår, hvordan de opfører sig, og hvordan de ændrer sig afhængigt af de ydre betingelser. Systemet er ikke blot en model, men et miniaturelaboratorium for kvantefysik.
Et tydeligt eksperimentelt tegn: Little-Park-andele
Et af de mest elegante aspekter ved eksperimentet er, at det er baseret på et fænomen kendt som Little-Park-effekten , der blev opdaget i 1962. Denne effekt beskriver, hvordan den kritiske temperatur af en superleder ændrer sig på en oscillerende måde, når der påføres en magnetisk strøm på grund af kvantisering af strømmen i multipla af magnetisk strøm (Φ₀ = h/2e) .
I løbet af undersøgelsen opdagede forskerne, at systemet udviser en »segmenteret struktur« i den superledende energislids, som moduleres af magnetfeltet. I de øverste segmenter, hvor syntetiske CdGM-tilstande opstår, blev der observeret dispersionsslidsestilstande, som svarer til de teoretiske forudsigelser. Desuden viser disse tilstande inden for hver del en interessant energimæssig asymmetri , idet de forskydes mod højere felter. Denne egenskab blev »teoretisk forklaret […] og eksperimentelt beskrevet i mindste detalje«.
Denne type modulering giver et pålideligt eksperimentelt signal og giver os mulighed for at kontrollere, at det, vi observerer, ikke er en artefakt, men en reel manifestation af tilstande, der ligner CdGM. Den gode overensstemmelse mellem de teoretiske resultater og de ledningsevnespektre, der er målt i laboratoriet, giver en stærk bekræftelse af modellen.
Fremtidige anvendelser: ikke kun grundlæggende fysik
Selvom arbejdet klart hører hjemme inden for grundforskning, kan det få grundlæggende betydning for udviklingen af fremtidige kvanteteknologier . Et af de potentielle anvendelsesområder er hybride kvantesimulatorer , enheder, der gør det muligt at simulere og undersøge komplekse fysiske systemer, som ikke kan beskrives med klassiske metoder.
Som en af de førende forfattere, Saulius Vaitekunas, kommenterer i populære artikler, var disse tilstande ikke direkte eftersøgte, men opstod snarere i løbet af undersøgelsen af andre egenskaber ved systemet. Efter at de blev identificeret, indså man, at »de var mere end bare en kuriositet« : de åbnede døren til nye former for kvantekontrol, selv i miljøer hvor der ikke findes virkelige hvirvler.
Desuden er design af materialer som disse fuldstændigt kontrollerbare superledende-halvledende platforme i centrum af kapløbet om at skabe mere stabile og funktionelle kvanteenheder. Detaljeret viden om de tilstande, der kan opstå i disse strukturer, vil hjælpe med at forbedre designet af komponenter til kvantecomputere, sensorer eller topologiske kredsløb.
- Videnskab
Et fantastisk opdagelse, der kan revolutionere kvantecomputere ved hjælp af superfluide væsker: de kan kontrollere Kelvin-bølger
- Eugenio M. Fernández Aguilar
Fælles præstation baseret på innovation
Dette gennembrud er ikke resultatet af en enkelt gruppe eller en isoleret opdagelse. Det er baseret på mange års samarbejde mellem eksperimenterende fysikere og teoretikere med teams fra Danmark, Spanien og USA. Som nævnt i artiklen blev modelleringen udført ved hjælp af modeller, der var udviklet i tidligere arbejde og finjusteret, så de svarede til den faktiske geometri og de materialer, der blev brugt i enhederne.
Anvendelsen af højt specialiserede nanoproduktionsværktøjer, såsom epitaxial aflejring af aluminium på InAs-nanotråde og nøjagtig kontrol af det elektrostatiske potentiale gennem spændingsgates, spillede også en afgørende rolle. Takket være disse fremskridt blev det muligt at skabe enheder, der ikke kun efterligner hvirvler, men også gør det muligt at måle deres adfærd direkte ved hjælp af scanningstunnelspeciografi.
Denne type forskning, der kombinerer materialedesign , kvanteingeniørvidenskab og avanceret teoretisk modellering , viser, hvordan avanceret fysik opbygges i små, men præcise skridt. Hver detalje har betydning, fra tykkelsen af aluminiumlaget til orienteringen af magnetfeltet.
