Odkritje novega kvantnega stanja
V raziskavi, v kateri so sodelovali tudi slovenski znanstveniki, potrdili novo kvantno stanje snovi, ki je sorodno superprevodnosti.
Odpri galerijo
V poskusih preverjajo čudne zakone kvantne mehanike in iščejo načine, kako jih pretvoriti v uporabne tehnologije. FOTO: Shutterstock
Mednarodna ekipa znanstvenikov, z vodilno vlogo angleških, japonskih in slovenskih laboratorijev, je v raziskavi, objavljeni v prestižni reviji Science Advances, potrdila novo kvantno stanje snovi, poimenovano ekscitonski izolator ali ekscitonium. To dolgo iskano stanje je sorodno superprevodnosti, vendar ima precej drugačne fizikalne lastnosti in ga je izredno težavno opaziti. Kako ta raziskava odpre možnost simulatorjev osnovnih interakcij v vesolju in kakšne kvantne tehnologije si lahko obetamo?
V znanosti in umetnosti so velikokrat poučne idealizirane predstave kompleksnosti sveta okoli nas. Začnimo s primerom iz gledališča. Pohlep doživimo bolj plastično, če ga prestavimo iz dnevne kronike časopisa pred vami v temačno škotsko atmosfero, kjer krvava lady kuje nov korak lorda Macbetha. V tem dobro nadzorovanem okolju je lahko Shakespeare natančno analiziral psihološko sliko pohlepa in v gledalcu odprl refleksije, ki bi jih težko izluščili iz kaosa vsakdana.
Podobne preslikave radi uporabljamo v sodobni znanosti: če je neki sistem težko opisati v izvornem okolju, poskušamo najti drug sistem, ki se pri določenih pogojih obnaša tako rekoč enako kot prvotni. Tako ustvarimo simulator originalnega fizikalnega procesa, iz katerega se lahko naučimo najpomembnejše lastnosti težko razumljivega problema.
Takšen princip smo uporabili pri nedavnem dosežku. Kot simulator fizike osnovnih interakcij v vesolju smo uporabili material (konkretno Ta2NiSe5), vzbujen z močnim laserskih sunkom. Uspelo nam je simulirati fiziko dveh osnovnih delcev: slavnega Higgsovega bozona, ki ga bolje poznamo iz velikih trkalnikov, kot je ženevski Cern, in medijsko manj odmevnega brezmasnega Goldstonovega bozona. Čeprav pojav, opisan v tem članku, nastopa v zelo drugačnih pogojih kot v velikih trkalnikih, nam njihova matematična podobnost omogoča analize in vpoglede, ki bi jih težko pridobili v trkalniku. Razlike so očitne; za nastanek Higgsovega bozona v Cernu so morali zgraditi ogromen pospeševalnik Veliki hadronski trkalnik (LHC) z obsegom 27 km, eksperimenti na kristalih pa se izvajajo v optičnem laboratoriju. Podobno kot pri Shakespearju nam takšna dobro nadzorovana okolja omogočajo hitrejše in lažje učenje ter novo razumevanje. Dodatna vrednost raziskav na kristalih je tehnološki potencial, ki ga bom pojasnil na koncu.
Osnovni gradniki naših raziskav so bili postavljeni že v začetku 60. let z raziskavami superprevodnikov – materialov, ki jim pri nizkih temperaturah električna upornost pade točno na nič in tako prevajajo elektriko brez izgube energije. Na žalost so te temperature veliko prenizke, da bi jih lahko uporabljali v vsakodnevnih napeljavah, jih pa lahko s pridom izkoristimo pri slikanju z magnetno resonanco ali pri levitaciji vlakov na magnetni blazini. Poleg uporabnih lastnosti superprevodniki ustvarjajo vrsto zanimivih efektov, pri katerih lahko kvantne pojave opazujemo na makroskopskih skalah. Eden najbolj zanimivih pojavov se zgodi, če na superprevodnik posvetimo z močno lasersko svetlobo.
Pri tem sistem vzbudimo v kolektivno stanje, v katerem veliko delcev sinhrono oscilira. V duhu olimpijskih iger si lahko predstavljamo sinhrone plavalce, ki izvajajo svoj ples v popolni usklajenosti. Podobno v superprevodniku elektronski pari ustvarjajo dva možna »plesa«, ki ju teoretično opišemo kot dve kolektivni stanji. Prvo izmed stanj ima maso in je dobilo ime Higgsov bozon. Drugo stanje, poimenovano tudi Goldstonov bozon, je najprej brezmasno, a zaradi interakcije z okoljem postane masivno (Philipp Warren Anderson; 1962). Povsem analogne ideje so fiziki uporabili na področju teorije osnovnih gradnikov našega vesolja (Robert Brout, Françoise Englert, Peter Higgs; 1964) in znotraj tega opisa kolektivna stanja ustrezajo osnovnim delcem. Povezovanje idej med različnimi področji fizike nam je prineslo razumevanje, kako delci dobijo maso, in napovedalo obstoj Higgsovega bozona.
Zelo poenostavljeno lahko mehanizem povzamemo takole: osnovni delci dobijo maso na račun interakcije s Higgsovim bozonom. Velik uspeh trkalnika LHC v Ženevi je bila eksperimentalna potrditev teh teorij, kar je tudi prineslo pričakovano Nobelovo nagrado leta 2013. Zgodovinski pregled nam najprej pokaže, kako je lahko prenos idej med različnimi področji fizike izredno produktiven, saj smo se z analizo interakcije svetlobe in superprevodnikov precej nepričakovano naučili, kako osnovni delci dobijo maso. Povezava zgornjih idej pokaže, da bi lahko superprevodnike uporabili kot simulatorje fizike osnovnih delcev. Eksperimenti na superprevodnikih so sicer precej bolj preprosti kot v velikih trkalnikih, saj zahtevajo le optični laboratorij. Vendar je neposredno opažanje obeh bozonov v superprevodnih snoveh tehnično izredno težavno, kar je do nedavnega zavrlo njihovo uporabo kot simulatorjev. Takšna analiza bi bila zelo zaželena, saj bi precej poenostavila proces raziskovanja in morda prinesla pomembne ideje v današnje razumevanje osnovnih gradnikov vesolja.
V našem delu smo najprej pokazali, da v kompleksnem kristalu Ta2NiSe5 obstaja dolgo teoretično napovedano, a redko eksperimentalno realizirano kvantno stanje snovi, poimenovano ekscitonski izolator ali ekscitonium. Podobno stanje je že bilo potrjeno v drugih snoveh in takrat so zaradi pretirane predstavitve v medijih spletni navdušenci odkritje hitro začeli povezovati z nadnaravnimi močmi superjunakov. Kar jasno pokaže, kako težavna je korektna predstavitev znanstvenih dognanj v popularnih medijih in kako se, kljub najboljšim namenom, lahko izjalovi. Zato bodimo s presežki previdni.
Ekscitonski izolator je sorodno stanje superprevodnosti, z razliko, da brez upornosti »tečejo« nabojsko nevtralni delci in je tako material dober električni izolator. Od tod izolator v imenu stanja. Podobno kot v superprevodnikih obstajajo Higgsove in Goldstonove vzbuditve, le da jih je v ekscitonskih sistemih veliko lažje opaziti in analizirati.
V sodelovanju z japonskimi in švicarskimi kolegi, z Jutom Murakamijem s Tehnološkega inštituta v Tokiu in Philippom Wernerjem z Univerze v Fribourgu, smo najprej odziv snovi teoretično napovedali, pozneje pa so kolegi z Univerze v Cambridgeu optični odziv tudi eksperimentalno izmerili.
Pomen teh opažanj je večplasten. Najprej smo pokazali, da Higgsove in Goldstonove vzbuditve delujejo kot prstni odtis ekscitonskega izolatorja, kar bo precej olajšalo nadaljnje iskanje te eksotične kvantne faze. Drugo spoznanje je, da so ekscitonski materiali eksperimentalno dosegljiv simulator fizike osnovnih delcev. »Enostavnost« in natančnost laserskih meritev v snovi omogočata simulacijo novih procesov, ki so nedosegljivi v trenutnih velikih trkalnikih osnovnih delcev, in upamo lahko, da bo naše odkritje prispevalo k nadaljnjemu produktivnemu prepletu med različnimi področji fizike.
Vsak zanimiv eksperiment prinese s sabo presenečenje. Tokrat so nas presenetile nenavadne transportne lastnosti snovi po vzbuditvi z močnim laserskim sunkom. Takšno opažanje bi lahko imelo pomembne tehnološke posledice. Najprej, kako je z vsakdanjimi električnimi prevodniki. Električno (specifično) upornost določajo elektroni. Ti so zelo hitri, hkrati pa hitro trkajo drug z drugim in z nečistočami v materialih. Preprosto pravilo pravi, da bolj kot elektroni trkajo, večja je upornost materiala.
V našem eksperimentu pa smo opazili, da nekateri delci izredno redko trkajo in lahko prepotujejo »ogromne« razdalje. Slednje moramo vzeti s ščepcem soli. Opazili smo delce, ki prepotujejo poti na skali mikrometrov (0.000001 metra), kar je ogromno v primerjavi z medatomskimi razdaljami v kristalu, ki merijo približno desetinko nanometra (10-10 m). Kot primerjavo vzemimo vožnjo po cesti, kjer bi na poti na morje srečali 10.000 avtomobilov, a vam ne bi bilo treba niti enkrat zavreti in se razjeziti na voznika v sosednjem avtomobilu. Teoretična analiza neverjetnih transportnih lastnosti je pokazala, da transport ustreza prenosu Goldstonovih vzbuditev, ki zaradi kolektivne narave izredno redko trkajo z drugimi delci. Klasična analogija je razširjanje motnje na vodni gladini (glej fotografijo). Čeprav val naleti na majhne ovire, se bo celotno razširjanje nadaljevalo.
Goldstonovi bozoni so električno nevtralni delci in ne prenašajo električnega toka, a vendar po prepotovani poti oddajo svetlobni signal, ki ga zaznamo s senzorji. Nenavadni transportni pojavi so danes zelo iskani, saj se fiziki že dolgo sprašujemo, kako uporabiti kvantne sisteme za tehnološke namene. »Nevtralni delci v ekscitonskem izolatorju bi lahko prenašali informacijo veliko bolje kot elektroni v standardnih snoveh, saj so neobčutljivi na motnje iz okolja. To bi lahko uporabili za energijsko učinkovite računalniške elemente, ki delujejo pri sobni temperaturi, v nasprotju s superprevodnimi vezji, ki jih moramo hladiti,« je o perspektivi odkritja povedal vodja eksperimentalne skupine profesor Akshay Rao z Univerze v Cambridgeu.
Opisane raziskave tvorijo osnovo tako imenovanih kvantnih tehnologij, pri katerih poskušamo vpreči čudne zakone kvantne mehanike in jih pretvoriti v uporabne tehnologije. Katera od teh inovacij bo končno prispela na trg, je odvisno od vizionarstva lokalnih inštitucij za financiranje znanosti in sistematičnega dela raziskovalcev s konstantnim vpetjem v mednarodno fiziko.
Kvantni simulatorji
V znanosti in umetnosti so velikokrat poučne idealizirane predstave kompleksnosti sveta okoli nas. Začnimo s primerom iz gledališča. Pohlep doživimo bolj plastično, če ga prestavimo iz dnevne kronike časopisa pred vami v temačno škotsko atmosfero, kjer krvava lady kuje nov korak lorda Macbetha. V tem dobro nadzorovanem okolju je lahko Shakespeare natančno analiziral psihološko sliko pohlepa in v gledalcu odprl refleksije, ki bi jih težko izluščili iz kaosa vsakdana.
Podobne preslikave radi uporabljamo v sodobni znanosti: če je neki sistem težko opisati v izvornem okolju, poskušamo najti drug sistem, ki se pri določenih pogojih obnaša tako rekoč enako kot prvotni. Tako ustvarimo simulator originalnega fizikalnega procesa, iz katerega se lahko naučimo najpomembnejše lastnosti težko razumljivega problema.
Takšen princip smo uporabili pri nedavnem dosežku. Kot simulator fizike osnovnih interakcij v vesolju smo uporabili material (konkretno Ta2NiSe5), vzbujen z močnim laserskih sunkom. Uspelo nam je simulirati fiziko dveh osnovnih delcev: slavnega Higgsovega bozona, ki ga bolje poznamo iz velikih trkalnikov, kot je ženevski Cern, in medijsko manj odmevnega brezmasnega Goldstonovega bozona. Čeprav pojav, opisan v tem članku, nastopa v zelo drugačnih pogojih kot v velikih trkalnikih, nam njihova matematična podobnost omogoča analize in vpoglede, ki bi jih težko pridobili v trkalniku. Razlike so očitne; za nastanek Higgsovega bozona v Cernu so morali zgraditi ogromen pospeševalnik Veliki hadronski trkalnik (LHC) z obsegom 27 km, eksperimenti na kristalih pa se izvajajo v optičnem laboratoriju. Podobno kot pri Shakespearju nam takšna dobro nadzorovana okolja omogočajo hitrejše in lažje učenje ter novo razumevanje. Dodatna vrednost raziskav na kristalih je tehnološki potencial, ki ga bom pojasnil na koncu.
Superprevodniki in osnovni delci
Osnovni gradniki naših raziskav so bili postavljeni že v začetku 60. let z raziskavami superprevodnikov – materialov, ki jim pri nizkih temperaturah električna upornost pade točno na nič in tako prevajajo elektriko brez izgube energije. Na žalost so te temperature veliko prenizke, da bi jih lahko uporabljali v vsakodnevnih napeljavah, jih pa lahko s pridom izkoristimo pri slikanju z magnetno resonanco ali pri levitaciji vlakov na magnetni blazini. Poleg uporabnih lastnosti superprevodniki ustvarjajo vrsto zanimivih efektov, pri katerih lahko kvantne pojave opazujemo na makroskopskih skalah. Eden najbolj zanimivih pojavov se zgodi, če na superprevodnik posvetimo z močno lasersko svetlobo.
Vsak zanimiv eksperiment prinese s sabo presenečenje. Tokrat so nas presenetile nenavadne transportne lastnosti snovi po vzbuditvi z močnim laserskim sunkom.
Pri tem sistem vzbudimo v kolektivno stanje, v katerem veliko delcev sinhrono oscilira. V duhu olimpijskih iger si lahko predstavljamo sinhrone plavalce, ki izvajajo svoj ples v popolni usklajenosti. Podobno v superprevodniku elektronski pari ustvarjajo dva možna »plesa«, ki ju teoretično opišemo kot dve kolektivni stanji. Prvo izmed stanj ima maso in je dobilo ime Higgsov bozon. Drugo stanje, poimenovano tudi Goldstonov bozon, je najprej brezmasno, a zaradi interakcije z okoljem postane masivno (Philipp Warren Anderson; 1962). Povsem analogne ideje so fiziki uporabili na področju teorije osnovnih gradnikov našega vesolja (Robert Brout, Françoise Englert, Peter Higgs; 1964) in znotraj tega opisa kolektivna stanja ustrezajo osnovnim delcem. Povezovanje idej med različnimi področji fizike nam je prineslo razumevanje, kako delci dobijo maso, in napovedalo obstoj Higgsovega bozona.
Zelo poenostavljeno lahko mehanizem povzamemo takole: osnovni delci dobijo maso na račun interakcije s Higgsovim bozonom. Velik uspeh trkalnika LHC v Ženevi je bila eksperimentalna potrditev teh teorij, kar je tudi prineslo pričakovano Nobelovo nagrado leta 2013. Zgodovinski pregled nam najprej pokaže, kako je lahko prenos idej med različnimi področji fizike izredno produktiven, saj smo se z analizo interakcije svetlobe in superprevodnikov precej nepričakovano naučili, kako osnovni delci dobijo maso. Povezava zgornjih idej pokaže, da bi lahko superprevodnike uporabili kot simulatorje fizike osnovnih delcev. Eksperimenti na superprevodnikih so sicer precej bolj preprosti kot v velikih trkalnikih, saj zahtevajo le optični laboratorij. Vendar je neposredno opažanje obeh bozonov v superprevodnih snoveh tehnično izredno težavno, kar je do nedavnega zavrlo njihovo uporabo kot simulatorjev. Takšna analiza bi bila zelo zaželena, saj bi precej poenostavila proces raziskovanja in morda prinesla pomembne ideje v današnje razumevanje osnovnih gradnikov vesolja.
Ekscitonski izolator
V našem delu smo najprej pokazali, da v kompleksnem kristalu Ta2NiSe5 obstaja dolgo teoretično napovedano, a redko eksperimentalno realizirano kvantno stanje snovi, poimenovano ekscitonski izolator ali ekscitonium. Podobno stanje je že bilo potrjeno v drugih snoveh in takrat so zaradi pretirane predstavitve v medijih spletni navdušenci odkritje hitro začeli povezovati z nadnaravnimi močmi superjunakov. Kar jasno pokaže, kako težavna je korektna predstavitev znanstvenih dognanj v popularnih medijih in kako se, kljub najboljšim namenom, lahko izjalovi. Zato bodimo s presežki previdni.
Ekscitonski izolator je sorodno stanje superprevodnosti, z razliko, da brez upornosti »tečejo« nabojsko nevtralni delci in je tako material dober električni izolator. Od tod izolator v imenu stanja. Podobno kot v superprevodnikih obstajajo Higgsove in Goldstonove vzbuditve, le da jih je v ekscitonskih sistemih veliko lažje opaziti in analizirati.
V sodelovanju z japonskimi in švicarskimi kolegi, z Jutom Murakamijem s Tehnološkega inštituta v Tokiu in Philippom Wernerjem z Univerze v Fribourgu, smo najprej odziv snovi teoretično napovedali, pozneje pa so kolegi z Univerze v Cambridgeu optični odziv tudi eksperimentalno izmerili.
Pomen teh opažanj je večplasten. Najprej smo pokazali, da Higgsove in Goldstonove vzbuditve delujejo kot prstni odtis ekscitonskega izolatorja, kar bo precej olajšalo nadaljnje iskanje te eksotične kvantne faze. Drugo spoznanje je, da so ekscitonski materiali eksperimentalno dosegljiv simulator fizike osnovnih delcev. »Enostavnost« in natančnost laserskih meritev v snovi omogočata simulacijo novih procesov, ki so nedosegljivi v trenutnih velikih trkalnikih osnovnih delcev, in upamo lahko, da bo naše odkritje prispevalo k nadaljnjemu produktivnemu prepletu med različnimi področji fizike.
V duhu olimpijskih iger si lahko predstavljamo sinhrone plavalce, ki izvajajo svoj ples v popolni usklajenosti. Podobno v superprevodniku elektronski pari ustvarjajo dva možna »plesa«, ki ju teoretično opišemo kot dve kolektivni stanji.
Presenečenje in kvantne tehnologije
Vsak zanimiv eksperiment prinese s sabo presenečenje. Tokrat so nas presenetile nenavadne transportne lastnosti snovi po vzbuditvi z močnim laserskim sunkom. Takšno opažanje bi lahko imelo pomembne tehnološke posledice. Najprej, kako je z vsakdanjimi električnimi prevodniki. Električno (specifično) upornost določajo elektroni. Ti so zelo hitri, hkrati pa hitro trkajo drug z drugim in z nečistočami v materialih. Preprosto pravilo pravi, da bolj kot elektroni trkajo, večja je upornost materiala.
V našem eksperimentu pa smo opazili, da nekateri delci izredno redko trkajo in lahko prepotujejo »ogromne« razdalje. Slednje moramo vzeti s ščepcem soli. Opazili smo delce, ki prepotujejo poti na skali mikrometrov (0.000001 metra), kar je ogromno v primerjavi z medatomskimi razdaljami v kristalu, ki merijo približno desetinko nanometra (10-10 m). Kot primerjavo vzemimo vožnjo po cesti, kjer bi na poti na morje srečali 10.000 avtomobilov, a vam ne bi bilo treba niti enkrat zavreti in se razjeziti na voznika v sosednjem avtomobilu. Teoretična analiza neverjetnih transportnih lastnosti je pokazala, da transport ustreza prenosu Goldstonovih vzbuditev, ki zaradi kolektivne narave izredno redko trkajo z drugimi delci. Klasična analogija je razširjanje motnje na vodni gladini (glej fotografijo). Čeprav val naleti na majhne ovire, se bo celotno razširjanje nadaljevalo.
Padec kapljice v vodo sproži na gladini valovanje. Čeprav valovanje trči ob majhne ovire, se bo razširjanje nadaljevalo. Pojav je klasični analog kvantnega transportnega pojava, opaženega v eksperimentu, in bi lahko predstavljal osnovo za nove elektronske elemente. FOTO: Shutterstock
Goldstonovi bozoni so električno nevtralni delci in ne prenašajo električnega toka, a vendar po prepotovani poti oddajo svetlobni signal, ki ga zaznamo s senzorji. Nenavadni transportni pojavi so danes zelo iskani, saj se fiziki že dolgo sprašujemo, kako uporabiti kvantne sisteme za tehnološke namene. »Nevtralni delci v ekscitonskem izolatorju bi lahko prenašali informacijo veliko bolje kot elektroni v standardnih snoveh, saj so neobčutljivi na motnje iz okolja. To bi lahko uporabili za energijsko učinkovite računalniške elemente, ki delujejo pri sobni temperaturi, v nasprotju s superprevodnimi vezji, ki jih moramo hladiti,« je o perspektivi odkritja povedal vodja eksperimentalne skupine profesor Akshay Rao z Univerze v Cambridgeu.
Opisane raziskave tvorijo osnovo tako imenovanih kvantnih tehnologij, pri katerih poskušamo vpreči čudne zakone kvantne mehanike in jih pretvoriti v uporabne tehnologije. Katera od teh inovacij bo končno prispela na trg, je odvisno od vizionarstva lokalnih inštitucij za financiranje znanosti in sistematičnega dela raziskovalcev s konstantnim vpetjem v mednarodno fiziko.
ℹ Denis Golež je raziskovalec na Inštitutu Jožef Stefan (Oddelek za teoretično fiziko in Oddelek za kompleksne snovi) ter Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Del opisanih raziskav je opravil na Flatiron Institutu (Simons Foundation) v New Yorku, ZDA.
