Odkryte przez nich przejścia, opisane na łamach Nature, obejmują zjawisko splątania kwantowego dotyczącego wielu atomów. Wcześniej tego typu obserwacje dotyczyły natomiast znacznie mniejszej ich liczby. Dokładniej rzecz biorąc, członkom zespołu badawczego udało się dokonać przełomowych rzeczy w zakresie splątania i superpozycji.
Czytaj też: Ekspert atakuje komputery kwantowe. “Kwestia czasu, aż bańka pęknie”
Jak do tej pory wiadomo było, że materiały wykazujące właściwości takie jak magnetyzm posiadają tzw. domeny. W ich obrębie właściwości danego materiału są jednorodne bądź przynależne do jednego lub drugiego rodzaju. Obiektem zainteresowania autorów nowych badań w tej sprawie okazał się związek LiHoF4, w którym domeny wykazują cechy mechaniki kwantowej.
Za przykład zmiany właściwości wybranych substancji świetnie może posłużyć woda, która w temperaturze 100 stopni Celsjusza zmienia się w gaz, by poniżej zera mieć postać lodu. W obu przypadkach te nowe stany są pokłosiem przejścia fazowego, w którym cząsteczki wody zmieniają swoje ułożenie, zmieniając tym samym właściwości materii. Magnetyzm czy nadprzewodnictwo powstają natomiast na skutek przechodzenia elektronów przez przejścia fazowe w kryształach. W przypadku przejść fazowych w temperaturach zbliżających się do zera absolutnego mowa o zjawiskach takich jak splątanie i kwantowe przejścia fazowe.
Splątanie kwantowe odnosi się do sytuacji, w której splątane cząstki kwantowe istnieją w stanie superpozycji. O ile jednak mogłoby się wydawać, iż prawa mechaniki kwantowej obowiązują tylko w przypadku mikroskopijnych cząstek, tak naukowcom z Niemiec udało się zaobserwować efekty splątania kwantowego w znacznie większej skali, dotyczącej tysięcy atomów. Kluczowy okazał się w tym wspomniany związek.
W bardzo niskich temperaturach LiHoF4 zachowuje się jak ferromagnetyk, lecz wystarczy przyłożyć pole magnetyczne dokładnie pionowo do preferowanego kierunku magnetycznego, aby momenty zmieniły kierunek. Określa się to mianem fluktuacji. Im większe natężenie pola magnetycznego, tym silniejsze stają się te fluktuacje. W pewnym momencie ferromagnetyzm całkowicie znika w kwantowym przejściu fazowym i pojawia się splątanie sąsiadujących momentów magnetycznych.
Odkryliśmy, że kwantowe przejście fazowe nadal zachodzi, podczas gdy wcześniej sądzono, że nawet najmniejsze pochylenie pola magnetycznego natychmiast je stłumi. […] Do naszych precyzyjnych pomiarów użyliśmy próbek sferycznych. To właśnie pozwoliło nam precyzyjnie zbadać zachowanie przy niewielkich zmianach kierunku pola magnetycznego.wyjaśniają autorzy badań
Czytaj też: Nie uwierzycie, ile fotonów udało się splątać fizykom. Komputery kwantowe będą wydajniejsze
Jak tego typu odkrycia można wykorzystać w praktyce? Przede wszystkim stanowią one punkt odniesienia dla badań zjawisk kwantowych w materiałach. Poza tym członkowie zespołu dodają, że splątanie kwantowe jest stosowane i wykorzystywane między innymi w takich technologiach jak czujniki kwantowe i komputery kwantowe. Wyniki nowych badań mogą więc mieć bezpośredni wpływ na rozwój praktycznych zastosowań, jeśli wykorzysta się właściwości materiałów w kontrolowany sposób.
