Po desaťročia zostávalo množstvo predpovedí formulovaných teoretickými fyzikmi bez experimentálneho potvrdenia, napriek neustálym pokrokom v oblasti vedeckých nástrojov. Teraz kvantový fyzikálny experiment vykonaný v Dánsku viedol k historickému objavu, ktorý mnohí považovali za nepravdepodobný.
V prestížnom vedeckom časopise bol uverejnený článok, v ktorom bola predstavená inovatívna metóda, ktorá na rozdiel od bežných prístupov umožnila dosiahnuť kvantový jav, ktorý bolo prakticky nemožné pozorovať. Tento objav otvára nové cesty vo výskume exotických stavov hmoty.
Na aký historický objav čakala veda 65 rokov?
V roku 1964 fyzici Karoli, de Jenne a Matricon predložili teóriu o existencii zvláštnych kvantových stavov, ktoré by mali vznikať vo vnútri vírov určitých supravodivých materiálov.
Toto predpoklad, hoci opodstatnený, zostal bez priameho dôkazu. Zložitosť spočívala v tom, že v podmienkach vtedajších experimentálnych obmedzení nebolo možné rozlíšiť tieto stavy, a táto prekážka pretrvávala viac ako šesť desaťročí.
Prekážka nebola teoretická, ale technická. Podmienky potrebné na priame pozorovanie takzvaných stavov CdGM vyžadovali energetickú presnosť, ktorú nebolo možné dosiahnuť pomocou bežných technológií.
Teraz výskumníci z Niels Bohr Institute našli iný prístup, ktorý umožňuje študovať tento kvantový jav bez nutnosti jeho detekcie v pôvodnej forme. Historický objav nebol urobený priamo, ale prostredníctvom kontrolovaného znovuvytvorenia scenára, v ktorom sa objavuje.
Čo sú stavy CdGM a prečo boli neviditeľné?
Stavy Caroli-de Genna-Matricona (CdGM) vznikajú v jadre kvantových vírov vnútri supravodičov typu II. V tomto prostredí, kde materiál dočasne stráca svoje supravodivé vlastnosti, sa správanie častíc riadi pravidlami, ktoré sa líšia od bežných.
Tieto stavy odrážajú spôsob, akým sa elektróny organizujú v situáciách narušenej symetrie a extrémneho obmedzenia.
Hlavnou prekážkou ich detekcie bola veľkosť energetickej medzery medzi týmito stavmi, ktorá bola v porovnaní so štandardnými rozmermi moderných prístrojov zanedbateľne malá.
Podľa článku uverejneného v Physical Review Letters je rozdiel rádovo Δ/EF, čo môže dosiahnuť jednu desatinu tisíciny. To ich pozorovanie v bežných kovových materiáloch robí prakticky nemožným.
Umelé víry: tromf v rukáve vedcov, ktorí tento výskum vykonávali
Keď sa tím z Niels Borova inštitútu stretol s ťažkosťami pri pozorovaní skutočných vírov, zvolil inú stratégiu. Namiesto toho, aby hľadal tento jav v prirodzenom prostredí, vyrobil umelú štruktúru, ktorá reprodukovala podmienky potrebné na vznik očakávaných kvantových stavov.
Na tento účel použili nanovlákno z arzenidu india (InAs) pokryté vrstvou hliníka, čím vytvorili valcovité teleso z supravodiča-polovodiča.
Po priložení axiálneho magnetického poľa k tejto štruktúre dokázali vyvolať kontrolované deformácie v supravodivej fáze. Tento efekt imituje vznik umelého víru, čo umožňuje vznik analógov stavov CdGM. V technických termínoch boli generované van Hoveho singularity, ktoré fungujú ako dostupné kópie pôvodných kvantových stavov.
Okrem toho tento systém umožňuje regulovať parametre, ako je hrúbka povlaku alebo intenzita magnetického poľa, čo zabezpečuje úplnú kontrolu nad modelovaným kvantovým prostredím.
Týmto spôsobom môžu výskumníci pozorovať a meniť správanie týchto stavov, čo nie je možné v skutočnom supravodiči.
Čo je Little-Parkov efekt a aká bola jeho úloha v experimente?
Jedným z kľúčových aspektov experimentu je potvrdenie tohto javu pomocou dobre zdokumentovaného oscilačného správania:Littl-Parkovho efektu. Objavený v roku 1962, tento efekt ukazuje, ako sa kritická teplota supravodiča periodicky mení pod vplyvom magnetického toku.
V dánskom výskume bola objavená lopatkovitá štruktúra v rámci supravodivého energetického prerušenia systému, modulovaná magnetickým poľom. V zónach zodpovedajúcich týmto lopatkám sa objavili disperzné stavy, ktoré zodpovedajú predpovediam o syntetických stavoch CdGM.
Asymetria pozorovaná v týchto útvaroch ešte viac posilňuje spoľahlivosť modelu. Podľa výskumníkov získané spektrá vodivosti zodpovedajú teoretickým výpočtom, čo potvrdzuje, že nejde o experimentálne artefakty.
Na ceste k novým kvantovým platformám
Okrem teoretickej hodnoty má tento historický objav dôležité dôsledky pre inžinierstvo kvantových materiálov. Možnosť modelovať víry a študovať stavy, ktoré v nich vznikajú, v kontrolovanom prostredí predstavuje dôležitý krok vpred.
Tieto systémy môžu slúžiť ako platformy pre hybridné kvantové simulátory, nástroje určené na modelovanie zložitých fyzikálnych systémov.
Podľa fyzika Sauliaus Vaitiekėnas, citovaného v populárnych článkoch, tieto stavy neboli pôvodným cieľom experimentu, ale výsledkom štúdia iných vlastností.
Po určení ich povahy vedci pochopili, že môžu byť cestou k vývoju nových stratégií kvantového riadenia.
Historický a medzinárodný objav: ako bolo dosiahnuté nedosiahnuteľné
Tento prelom nie je výsledkom práce jedného tímu, ale výsledkom medzinárodnej spolupráce, na ktorej sa podieľali výskumníci z Dánska, Španielska a USA.
Vývoj teoretického modelu bol kombinovaný s nanotechnologickými metódami, ako je epitaxiálna depozícia hliníka a použitie napätých uzáverov na moduláciu elektrostatického potenciálu.
Kľúčovú úlohu zohrala presnosť dosiahnutá pri projektovaní a konštrukcii systému. Rozhodujúcu úlohu zohrali také detaily, ako hrúbka hliníka alebo presné smerovanie magnetického poľa.
Tento experiment je príkladom toho, ako výskum v oblasti kvantovej fyziky stavia na malých kumulatívnych zlepšeniach, ktoré v priebehu času umožňujú potvrdiť predpovede, ktoré sa zdali nedosiahnuteľné.
