Z czym zatem mamy do czynienia? Otóż naukowcom udało się opracować zupełnie nową metodę przechowywania informacji kwantowych w strukturach jednowymiarowych. Nie byłoby to możliwe, gdyby nie bromek siarczku chromu, unikalny materiał, którego właściwości pozwalają na sterowanie jego stanem magnetycznym, w tym także na odwracanie kierunku polaryzacji magnetycznej.
Bromek siarczku chromu to materiał składający się z niewiarygodnie cienkich warstw o grubości zaledwie kilku atomów. Wstępne analizy pozwoliły ustalić. że jest on w stanie przechowywać informacje zarówno zapisane w ładunkach elektrycznych, jak i w fotonach, fononach, czy nawet w spinie elektronów. Teraz jednak naukowcom udało się ustalić jeszcze jedną metodę przechowywania informacji kwantowych za pomocą tego materiału. Okazuje się bowiem, że bromek siarczku chromu jest w stanie ograniczać informacje kwantowe do jednego wymiaru. To istotna informacja, bowiem w ten sposób istotnie wydłuża się czas życia ustalonego stanu kwantowego.
Czytaj także: Badali splątanie kwantowe i odkryli coś nieznanego. To nowy rodzaj tego zjawiska!
Jak wskazują naukowcy odpowiedzialni za odkrycie, jednym ze sposobów przechowywania informacji w bromku siarczku chromu jest wykorzystanie ekscytonów — kwazicząstek powstających w wyniku związania się wzbudzonego elektronu z dziurą elektronową. Ekscytony takie wykazują nietypowe właściwości magnetyczne i mogą ustawiać się w uporządkowanych liniach wewnątrz materiału.
Tutaj należy podkreślić, co się z tym nietypowym materiałem dzieje w różnych warunkach otoczenia. Otóż, w bardzo niskich temperaturach — poniżej 132K (–141°C) — materiał przechodzi w stan magnetyczny, w którym elektrony w sąsiednich warstwach orientują się w przeciwnych kierunkach. Ten uporządkowany układ magnetyczny stabilizuje ekscytony, utrzymując je w określonej konfiguracji. Gdy jednak temperatura wzrasta powyżej 132 K, ów magnetyczny porządek znika, a elektrony zaczynają poruszać się chaotycznie, umożliwiając ekscytonom przemieszczanie się pomiędzy warstwami.
Co jednak się stanie, kiedy materiał zredukujemy do pojedynczej warstwy atomowej?
Okazuje się, że takiej sytuacji ekscytony mogą poruszać się tylko w jednym wymiarze, a tym samym mają bardzo ograniczoną swobodę. W efekcie ryzyko dekoherencji, czyli utraty informacji kwantowej, zdecydowanie się zmniejsza. Mamy zatem dowód na to, że ograniczenie do jednego wymiaru znacząco zwiększa stabilność stanów kwantowych.
Czytaj także: Odkrył sygnały kwantowe w biologicznym życiu. Te doniesienia mogą zmienić wszystko, co wiemy
Tutaj warto podkreślić, że wywołanie takiego zjawiska nie należy do rzeczy łatwych. Autorzy opracowania opublikowanego na łamach periodyku Nature Materials dokonali tego, emitując serię ultrakrótkich impulsów podczerwonych, trwających zaledwie 20 femtosekund każdy. W ten sposób wzbudzono ekscytony. W tym momencie inny impuls laserowy podnosił je na wyższe poziomy energetyczne. W tym momencie pojawiło się zaskoczenie. Naukowcy spodziewali się identycznych stanów energetycznych, a mimo tego pojawiły się w eksperymencie dwa różne typy ekscytonów.
W toku dalszych badań udało się ustalić, że ekscytony da się kontrolować, niezależnie czy chodziło o ograniczanie ich ruchu do jednego wymiaru, czy też pozwolenie im na poruszanie się w trzech wymiarach.
Niezależnie jednak od tego, stopień ich ograniczenia bezpośrednio wpływał na ich stabilność. Okazało się, że najtrwalszy zapis informacji kwantowych możliwy był przy najwyższym poziomie ograniczenia ekscytonów.
To jednak dopiero początek prac. Teraz naukowcy chcą sprawdzić, czy ekscytony będzie można przekształcić we wzbudzenia magnetyczne związane ze spinem elektronów. Gdyby to się udało, otworzyłaby się droga do przenoszenia danych kwantowych między różnymi nośnikami a tym samym do integrowania fotonów, ekscytonów i elektronów w nowych układach obsługujących informacje kwantowe.