С помощта на квантов магнит за първи път са наблюдавани вълните на заплитане

За първи път учените наблюдаваха как триплетите – екзотичните магнитни квазичастици, които съставляват вълните на квантовото заплитане на електроните – преминават от синглетно в триплетно състояние. Тези вълни дълго време оставаха неуловими, но сега те бяха открити благодарение на специалните свойства на новосъздадения изкуствен квантов магнит. Това наблюдение разкрива големи перспективи за усъвършенстване на квантовите изчисления и криптографията.

Когато два електрона с различни спинове се комбинират, ъгловият момент на техните спинове става нула и двойката образува т.нар. синглетен електрон. От друга страна, ако тези два електрона имат еднакви спинове, те не се анулират и образуват триплет. Чрез прилагане на енергия към електронната система е възможно електроните да се възбудят от синглетно до триплетно състояние. В някои случаи това възбуждане може да се разпространи през материала като вълни на квантово заплитане, състоящи се от екзотичните магнитни квазичастици, наречени триплети. Квантово заплитане възниква, когато две или повече частици имат еднакви свойства.

Тъй като такова квантово заплитане не може да възникне в обикновените магнитни материали, триплетите се наблюдават изключително трудно в природата. Измерването им в квантовите материали е голямо предизвикателство поради техните необичайни свойства. Именно тук изкуствените квантови материали могат да предложат значително предимство.

„Тези материали са много сложни. Те предлагат много интересна физика, но най-екзотичните от тях са и най-трудни за откриване и изучаване. Затова опитваме различен подход, като създаваме изкуствени материали от отделни компоненти“, обяснява в съобщение за пресата Петер Лилйерот, водещ изследовател на новото проучване от Университета Аалто във Финландия.

Този тип изкуствени материали дават възможност да се наблюдават явления, които обикновено е невъзможно да се видят в конвенционалните материали.

Квантовият магнит, съставен от обикновени молекули

Изкуственият квантов материал, разработен в новото изследване, представлява квантов магнит, съставен от органични молекули. Докато конвенционалният магнит се състои от добре дефинирана двуполюсна система, разположението на полюсите на квантовия магнит се определя от принципа на вероятността. В този вид материал взаимодействието на електроните води до необичайни явления, като високотемпературна свръхпроводимост, сложни магнитни състояния и необичайни електронни състояния. Всичко това го прави идеален кандидат за наблюдение на неуловимите в естествени условия явления, като например квантовите заплитания в основата на триплетите.

Квантовият магнит, описан в авторитетното издание Physical Review Letters, се състои от двойки молекули кобалт-фталоцианин, всяка от които има два електрона, заемащи орбиталните граници. Тези прости молекули са използвани за по-лесно групиране на електроните в затвореното пространство и заставянето им да си взаимодействат. Като се има предвид, че фундаменталните елементи съдържат два електрона, физическите елементи, необходими за квантовото заплитане, се оказват заедно.

В експеримент, предназначен за наблюдение на триплетите, магнитните възбуждания бяха наблюдавани първо на нивото на отделни молекули кобалтов фталоцианин, а след това на нивото на все по-големи структури – от вериги до молекулни острови.

„Използвайки много прости молекулярни елементи, ние успяхме да проектираме и изследваме този сложен квантов магнит по начин, който никога преди не е бил възможен, разкривайки явления, които не са наблюдавани в неговите независими части“, обяснява Дрост.

Въпреки че магнитните възбуждания в атомите са наблюдавани многократно в миналото с помощта на тунелираща спектроскопия, ефектът на разпространение на вълните на квантовото заплитане никога досега не е бил наблюдаван.

С помощта на квантов магнит, чиято молекулярна структура е проектирана на ръка, изследователският екип успешно демонстрира, че синглетно-триплетните възбуждания могат да преминават през молекулярната решетка като триплети.

„Нашите резултати представляват първата демонстрация на дисперсни триплетни възбуждания от измеренията на реалното пространство“, пишат изследователите в своето изследване.

Наред с другото, сега е възможно съвсем рационално да се проектират платформи за такива явления, което открива широк спектър от приложения за технологии, базирани на квантовата физика.

Като следваща стъпка изследователите възнамеряват да разширят своя експеримент, като използват квантови магнити, съставени от по-сложни молекули. Това би могло да доведе до по-нататъшни наблюдения на екзотични магнитни възбуждания или до нови протоколи за разработване на по-ефективни квантови материали.