Fizikai artėja prie egzotiškų kvantinės materijos būsenų, kurių dalelės elgiasi visiškai kitaip

Sekite TechNaujienos Google

Kvantinių medžiagų tyrėjai vis tiksliau geba aptikti ir valdyti kolektyvines materijos būsenas, kurių savybės neturi paprasto atitikmens kasdieniame pasaulyje. Viena svarbiausių krypčių – stipriai susietos dalelės ir kvantinis susipynimas kietojo kūno sistemose.

Nauji eksperimentiniai metodai leidžia matuoti susipynimo požymius realiose medžiagose, o ne tik kelių dalelių laboratorinėse sistemose. Tai atveria kelią medžiagoms, kurių elektroninės ar magnetinės savybės kyla iš kolektyvinio kvantinio elgesio.

Kodėl tai svarbu kompiuteriams?

Egzotiškos kvantinės būsenos domina todėl, kad kai kurios jų gali būti natūraliai atsparesnės triukšmui. Tai potencialiai naudinga kvantinei atminčiai, jutikliams ir ateities kvantinių kompiuterių architektūroms.

Vis dėlto kelias iki praktinių įrenginių ilgas. Tokias būsenas dažnai reikia kurti labai žemoje temperatūroje ir itin tiksliai kontroliuojamomis sąlygomis.

Naujausi straipsniai

4 min. skaitymo • prieš 9 minutės

DI laboratorijos tampa autonominės – robotai jau gali patys planuoti ir atlikti eksperimentus

4 min. skaitymo • prieš 24 minutės

Europa stato nuosavą debesiją palydovų duomenims – nenori priklausyti nuo JAV technologijų milžinų

4 min. skaitymo • prieš 39 minutės

Europa kuria „mąstančių“ palydovų spiečių – jie tarpusavyje naudos DI dar orbitoje

Visi naujausi straipsniai →

Kvantinė medžiaga – ne viena konkreti technologija

Šis terminas apima platų reiškinių spektrą: topologines būsenas, kvantinius magnetus, superlaidumą ir kitus kolektyvinius efektus. Bendra idėja ta pati – medžiagos savybių neįmanoma paaiškinti vien atskirų dalelių elgesiu.

Egzotiškų kvantinių būsenų vertė kyla iš to, kad kolektyvinis dalelių elgesys gali sukurti visiškai naujas medžiagos savybes. Elektronai tokioje sistemoje nebėra gerai aprašomi kaip nepriklausomos dalelės – jų būsenos stipriai susipina, o visas kūnas ima elgtis kaip vienas kvantinis objektas.

Vienas iš svarbiausių pavyzdžių yra topologinės būsenos. Jose dalis savybių priklauso ne nuo tikslios kiekvieno atomo padėties, o nuo bendros kvantinės struktūros. Dėl to kai kurios būsenos gali būti atsparesnės lokaliems trikdžiams, o tai labai patrauklu kvantinei informacijai saugoti.

Kita kryptis – kvantiniai magnetai ir vadinamosios kvantinių sukinių skysčio būsenos. Jose magnetiniai momentai net ir esant labai žemai temperatūrai nesusidėlioja į paprastą tvarką. Vietoj to išlieka stipriai susietas kvantinis judėjimas, galintis sukurti neįprastas kolektyvines kvazidaleles.

Eksperimentinė problema ta, kad tokių būsenų negalima „pamatyti“ vienu paprastu matavimu. Mokslininkai turi jungti neutronų sklaidą, spektroskopiją, magnetinius matavimus ir teorinius modelius, kad įrodytų, jog medžiaga iš tiesų yra konkrečioje kvantinėje fazėje.

Praktinis pritaikymas dar nėra garantuotas. Daugelis egzotiškų būsenų egzistuoja tik labai žemoje temperatūroje ar itin švariuose kristaluose. Tačiau būtent fundamentiniai tokių fazių tyrimai gali atvesti prie naujų kvantinių jutiklių, atminties ar skaičiavimo architektūrų. Istorijoje ne kartą technologijos atsirado gerokai vėliau nei pats keistas fizikinis efektas buvo atrastas.

Dar vienas svarbus aspektas – kvazidalelės. Stipriai susietoje medžiagoje kolektyviniai sužadinimai gali elgtis taip, tarsi būtų visiškai naujos dalelės su savybėmis, kurių neturi pavieniai elektronai. Tai nėra „naujos elementariosios dalelės“ fundamentine prasme, tačiau jos gali būti labai realios medžiagos viduje ir nulemti jos elektrines ar magnetines savybes.

Tokie efektai svarbūs ir todėl, kad leidžia laboratorijoje modeliuoti reiškinius, kuriuos kitaip būtų sunku pasiekti. Kvantinės medžiagos tampa savotiškomis „analoginėmis simuliacijomis“ sudėtingoms kvantinėms teorijoms. Net jei galutinis pritaikymas dar neaiškus, jos suteikia eksperimentinę platformą fundamentinei fizikai tikrinti.

Medžiagų kūrėjams didžiausia svajonė būtų išlaikyti naudingą kvantinę būseną aukštesnėje temperatūroje ir mažiau idealiomis sąlygomis. Kiekvienas toks žingsnis mažintų kriogenikos ir sudėtingos laboratorinės infrastruktūros poreikį. Todėl mokslininkai ne tik atranda naujas fazes, bet ir ieško, kokios kristalinės struktūros, slėgis ar cheminė sudėtis padeda jas stabilizuoti. Tai ilgas kelias, tačiau jis gali lemti, ar egzotiška kvantinė būsena liks akademiniu reiškiniu, ar taps realios technologijos dalimi.

Kvantinių medžiagų tyrimuose daug žadama dėl galimų topologinių kubitų. Idėja tokia, kad informacija būtų saugoma ne vien lokalioje dalelėje, o bendroje sistemos topologinėje būsenoje. Teoriškai tai galėtų sumažinti jautrumą lokaliam triukšmui ir palengvinti klaidų korekciją. Tačiau eksperimentiškai tokias būsenas patikimai sukurti ir valdyti yra labai sudėtinga.

Be skaičiavimo, kvantinės medžiagos domina ir dėl jutiklių. Labai jautrios magnetinės ar elektrinės būsenos gali reaguoti į mažyčius aplinkos pokyčius, todėl tokios sistemos gali tapti naujos kartos magnetometrais ar medžiagų diagnostikos priemonėmis. Kitaip tariant, net jei konkretus efektas netaps kvantinio kompiuterio pagrindu, jis vis tiek gali turėti praktinę vertę kituose įrenginiuose.

Daugiau kvantinių technologijų naujienų rasite TechNaujienos.lt mokslo rubrikoje.