De krachten tussen deeltjes, atomen, moleculen of zelfs tussen complete voorwerpen zoals magneten, worden bepaald door de interacties van de natuur. Twee staafmagneten bijvoorbeeld die dicht bij elkaar staan, richten zich opnieuw uit onder invloed van magnetische krachten. Een team onder leiding van Prof. Dr. Matthias Weidemüller en Dr. Gerhard Zürn van het Centrum voor Quantumdynamica van de Universiteit van Heidelberg is er nu in geslaagd niet alleen de sterkte maar ook de aard van de interactie tussen microscopische quantummagneten – de zogenaamde spins – specifiek te wijzigen.
In plaats van in een toestand van volledige wanorde te geraken, kunnen de speciaal geprepareerde magneten hun oorspronkelijke uitlijning over een lange periode behouden. Hiermee hebben de Heidelbergse fysici met succes programmeerbare controle van de interactie in geïsoleerde quantumsystemen gedemonstreerd, aldus de Heidelberg Universiteit in een persbericht. Het werk is een belangrijke stap naar een beter begrip van fundamentele processen in complexe quantumsystemen.
Verrassend gedrag
Magnetische systemen kunnen verrassend gedrag vertonen wanneer zij in een onstabiele configuratie worden geprepareerd. Wanneer bijvoorbeeld een verzameling ruimtelijk ongeordende magnetische dipolen, zoals staafmagneten, in dezelfde richting wordt gezet, leidt dit tot een latere herschikking van de magneten. Deze dynamiek leidt uiteindelijk tot een evenwichtsconfiguratie waarbij alle magneten willekeurig zijn uitgelijnd.
Terwijl in het verleden de meeste onderzoeken beperkt bleven tot klassieke magnetische dipolen, is het de laatste tijd mogelijk geworden de benaderingen uit te breiden tot quantummagneten met behulp van zogenaamde quantumsimulatoren. Dat zijn synthetische atomaire systemen die de fundamentele fysica nabootsen van magnetische verschijnselen. Dat gebeurt in een uiterst goed gecontroleerde omgeving waarin alle relevante parameters vrijwel naar believen kunnen worden aangepast.
Platform
Voor hun quantum-simulatie-experimenten gebruikten de onderzoekers een gas van atomen dat gekoeld was tot een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt. Met behulp van laserlicht werden de atomen ‘opgezweept’ tot extreem hoge elektronische toestanden die het elektron bijna op macroscopische afstanden van de atoomkern scheiden. Deze “atoomreuzen”, ook wel Rydberg-atomen genoemd, staan met elkaar in wisselwerking over afstanden bijna de breedte van een haar.
“Een samenstel van Rydberg-atomen heeft precies dezelfde eigenschappen als interacterende ongeordende quantummagneten, waardoor het een ideaal platform is voor het simuleren en onderzoeken van quantummagnetisme,” zegt Dr. Nithiwadee Thaicharoen, die postdoctoraal onderzoeker was in het team van Prof. Weidemüller aan het Instituut voor Natuurkunde en nu hoogleraar is in Thailand.
Wisselwerking
De essentiële “truc” van de Heidelbergse fysici bestond erin de dynamica van de quantummagneten te controleren door methoden op het gebied van de kernspinresonantie toe te passen. Bij hun experimenten gebruiken de wetenschappers speciaal ontworpen periodieke microgolfpulsen om de atomaire spin te veranderen. Een grote uitdaging was om de interactie van de spins nauwkeurig te regelen met behulp van deze techniek die Floquet engineering wordt genoemd.
“De microgolfpulsen moesten op de Rydberg-atomen worden toegepast op tijdschalen van een miljardste van een seconde, terwijl deze atomen tegelijkertijd zeer gevoelig zijn voor elke externe verstoring, hoe klein ook, zoals minuscule elektrische velden”, zegt postdoctoraal onderzoeker Dr. Clément Hainaut, die onlangs naar de universiteit van Lille (Frankrijk) is verhuisd.
Spinsysteem
“Desondanks slaagde deze benadering erin de schijnbaar onvermijdelijke herschikking van de spin tot stilstand te brengen en een macroscopische magnetisatie te handhaven onder de werking van ons controleprotocol”, legt promovendus Sebastian Geier uit.
“Met onze aanpak moet het nu mogelijk zijn de temporele evolutie van het spinsysteem om te keren nadat het een zeer complexe dynamiek heeft doorlopen. Het is dan alsof een gebroken glas zichzelf op magische wijze weer in hersteld nadat het kapot gevallen is.”
De onderzoeken zijn uitgevoerd in het kader van de Cluster of Excellence STRUCTURES en het Collaborative Research Centre “Isolated Quantum Systems and Universality under Extreme Conditions” (ISOQUANT) aan de Universiteit van Heidelberg. Het onderzoek is ook geïntegreerd in PASQuans, de “Programmable Atomic Large-Scale Quantum Simulation”-samenwerking binnen het Europese vlaggenschip voor Quantumtechnologieën. De onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift “Science”.
Ook interessant: Voor de ontwikkeling van een quantumcomputer is meer nodig dan geld en mensen
Geselecteerd voor jou!
Innovation Origins is het Europese platform voor innovatienieuws. Naast de vele berichten van onze eigen redactie in 15 Europese landen, selecteren wij voor jou de belangrijkste persberichten van betrouwbare bronnen. Zo blijf je op de hoogte van alles wat er gebeurt in de wereld van innovatie. Ben jij of ken jij een organisatie die niet in onze lijst met geselecteerde bronnen mag ontbreken? Meld je dan bij onze redactie.
