Évtizedekig egy sor elméleti fizikusok által megfogalmazott előrejelzés nem nyert kísérleti megerősítést, a tudományos műszerek folyamatos fejlődése ellenére. Most azonban egy Dániában végzett kvantumfizikai kísérlet történelmi felfedezéshez vezetett, amelyet sokan valószínűtlennek tartottak. Egy neves tudományos folyóiratban megjelent cikkben bemutattak egy innovatív módszert, amely a szokásos utaktól eltérően lehetővé tette egy szinte megfigyelhetetlen kvantumjelenség megfigyelését. A felfedezés új utakat nyit az egzotikus anyagállapotok kutatásában.
Mi az a történelmi felfedezés, amelyre a tudomány 65 éve vár?
1964-ben Caroli, de Gennes és Matricon fizikusok elméletet állítottak fel olyan speciális kvantumállapotok létezéséről, amelyek bizonyos szupravezető anyagok örvényeiben keletkezhetnek.
Ez az előrejelzés, bár megalapozott volt, közvetlen bizonyításra nem került. A kihívás abban rejlett, hogy a korabeli kísérleti korlátok miatt nehéz volt megkülönböztetni ezeket az állapotokat, ez a akadály több mint hat évtizeden át fennállt.
Az akadály nem elméleti, hanem technikai volt. Az úgynevezett CdGM-állapotok közvetlen megfigyeléséhez szükséges feltételek olyan energetikai pontosságot igényeltek, amelyet a hagyományos technológia nem tudott elérni.
Most a Niels Bohr Intézet kutatói egy másik megközelítést találtak, amely lehetővé teszi ennek a kvantumjelenségnek a tanulmányozását anélkül, hogy azt eredeti formájában kellene detektálni. A történelmi felfedezés nem közvetlenül, hanem a jelenség megjelenésének kontrollált rekonstrukciójával történt.
Mik a CdGM-állapotok és miért voltak láthatatlanok?
A Caroli–de Gennes–Matricon (CdGM)-állapotok a II. típusú szupravezetőkben lévő kvantumörvények magjában keletkeznek. Ebben a környezetben, ahol az anyag ideiglenesen elveszíti szupravezető képességét, a részecskék viselkedése a szokásostól eltérő szabályok szerint működik.
Ezek az állapotok tükrözik, hogyan szerveződnek az elektronok szimmetria-megszakadás és extrém bezártság esetén.
Felfedezésüket leginkább az akadályozta, hogy az állapotok közötti energetikai különbség a jelenlegi műszerek standard skálájához képest elenyésző.
A Physical Review Letters-ben megjelent cikk szerint a különbség Δ/EF nagyságrendű, ami akár tízezered rész is lehet. Ez gyakorlatilag lehetetlenné teszi megfigyelésüket a hagyományos fémanyagokban.
Mesterséges örvények: a tanulmányban részt vevő tudósok titkos fegyvere
A valódi örvények megfigyelésének nehézségei miatt a Niels Bohr Intézet csapata egy másik stratégiát választott. Ahelyett, hogy a jelenséget természetes környezetben keresték volna, mesterséges szerkezetet hoztak létre, amely reprodukálja a várt kvantumállapotok megjelenéséhez szükséges feltételeket.
Ehhez indium-arzén (InAs) nanohuzalokat használtak, amelyeket alumíniumréteggel borítottak, így hengeres alakú szupravezető-félvezető burkolatot hoztak létre.
A szerkezetre axiális mágneses mezőt alkalmazva sikerült kontrollált deformációt indukálniuk a szupravezető fázisban. Ez a hatás szimulálja egy mesterséges örvény megjelenését, lehetővé téve a CdGM-állapotok analógjainak kialakulását. Technikai szempontból van Hove-szingularitások keletkeztek, amelyek az eredeti kvantumállapotok hozzáférhető másolataként működnek.
Ezenkívül ez a rendszer lehetővé teszi olyan paraméterek beállítását, mint a bevonat vastagsága vagy a mágneses tér intenzitása, ami teljes ellenőrzést biztosít a szimulált kvantumkörnyezet felett.
Így a kutatók megfigyelhetik és módosíthatják ezeknek az állapotoknak a viselkedését, ami egy valódi szupravezetőben lehetetlen.
Mi a Little–Parks-effektus és mi volt a szerepe a kísérletben?
A kísérlet egyik legfontosabb aspektusa a jelenség megerősítése egy jól dokumentált oszcilláló viselkedés,a Little–Parks-effektus segítségével. Az 1962-ben felfedezett effektus azt mutatja, hogy egy szupravezető kritikus hőmérséklete periodikusan változik, ha mágneses fluxust alkalmaznak rá.
A dán tanulmányban a rendszer szupravezető energiaszakadásán belül, a mágneses mező által modulált lobusos szerkezetet észleltek. E lobusoknak megfelelő területeken diszperzív állapotok jelentek meg, amelyek összhangban vannak a szintetikus CdGM-állapotokra vonatkozó előrejelzésekkel.
Az ezekben a formációkban megfigyelt aszimmetria még inkább megerősíti a modell helyességét. A kutatók szerint a kapott vezetőképességi spektrumok egyeznek az elméleti számításokkal, ami megerősíti, hogy nem kísérleti artefaktumokról van szó.
Új kvantumplatformok felé
A felfedezés elméleti értékén túlmenően történelmi jelentőségű, fontos következményekkel jár a kvantumanyag-technika számára. Az örvények szimulálásának és az azokban kialakuló állapotok kontrollált környezetben történő tanulmányozásának lehetősége jelentős előrelépést jelent.
Ezek a rendszerek hibrid kvantumszimulátorok platformjaként szolgálhatnak, amelyek komplex fizikai rendszerek modellezésére szolgálnak.
Saulius Vaitiekėnas fizikus, akit népszerűsítő cikkek idéznek, szerint az állapotok nem voltak a kísérlet eredeti célja, hanem más tulajdonságok tanulmányozása során jelentek meg. Miután azonosították természetüket, rájöttek, hogy új kvantumvezérlési stratégiák kidolgozásának útját nyithatják.
Történelmi és nemzetközi felfedezés: így érték el az elérhetetlent
Ez az áttörés nem egyetlen csapat munkájának eredménye, hanem egy nemzetközi együttműködésé, amelybendán, spanyol és amerikai kutatók vettek részt.
A elméleti modell kidolgozását nanofabrikációs technikákkal kombinálták, mint például az alumínium epitaksiális lerakódása és feszültségkapuk használata az elektrosztatikus potenciál modulálására.
A rendszer tervezésében és építésében elért pontosság kulcsfontosságú volt. Az olyan részletek, mint az alumínium vastagsága vagy a mágneses mező pontos iránya, döntő jelentőségűek voltak.
A kísérlet példázza, hogy a kvantumfizikai kutatás apró, egymásra épülő fejlesztések sorozatával halad előre, amelyek idővel lehetővé teszik az elérhetetlennek tűnő előrejelzések megerősítését.
