Przełom w badaniach kwantowych: odkryto świecące kwazicząstki!

Przełom w badaniach kwantowych: odkryto świecące kwazicząstki!

Naukowcy z Klastra Doskonałości ct.qmat w Würzburgu-Dreźnie poczynili znaczne postępy w badaniach kwantowych. Po raz pierwszy wykryli optyczne kwazicząstki, zwane ekscytonami, na powierzchni antyferromagnetycznego materiału kwantowego. Odkrycie to stanowi ważny krok w rozwoju nowych technologii kwantowych i zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie naukowym Materiały naturalne opublikowany.

Zespół badawczy kierowany przez Aleksieja Czernikowa zbadał ruch ekscytonów za pomocą ultraszybkiej mikroskopii w ultraniskich temperaturach. Specyficzna struktura chemiczna magnesu półprzewodnikowego, bromku siarczku chromu (CrSBr), okazuje się szczególnie odpowiednia, ponieważ łączy w sobie porządek magnetyczny z właściwościami półprzewodnikowymi. W przeciwieństwie do wcześniejszych badań, w których ekscytony występują głównie w materiałach niemagnetycznych, tutaj otwierają się zupełnie nowe perspektywy.

Ekscytony: nośniki informacji i przechowywania światła

Ekscytony powstają, gdy impuls światła wzbudza elektron, pozostawiając dodatnio naładowaną „dziurę”. Te kwazicząstki mogą magazynować energię świetlną i przemieszczać się przez materiał, uwalniając energię w postaci światła podczas rozpuszczania. W atomowo cienkich warstwach ich stabilność utrzymuje się od około -268°C do temperatury pokojowej. Na powierzchni CrSBr ekscytony odbijają światło w innym kolorze, co pozwala na ich analizę i manipulowanie nimi za pomocą pól magnetycznych.

Ponadto zespół odkrył ruchome ekscytony, które poruszają się w przeciwnych kierunkach, co jest zachowaniem zgodnym z teoretycznymi pracami Michaiła M. Glazowa. Zjawisko to ma charakter wyłącznie mechaniki kwantowej i może mieć dalekosiężne zastosowania w takich obszarach, jak nowatorskie źródła laserowe, czujniki światła i ogniwa słoneczne.

Współpraca międzynarodowa i perspektywy na przyszłość

Projekt badawczy jest efektem międzynarodowej współpracy z naukowcami z USA, Niemiec, Wielkiej Brytanii, Holandii i Czech. Klaster Doskonałości ct.qmat, wspierany od 2019 roku przez Uniwersytet Juliusza Maksymiliana w Würzburgu i TU Drezno, skupia ponad 300 badaczy z ponad 30 krajów, którzy pracują nad badaniem topologicznych materiałów kwantowych w ekstremalnych warunkach.

Innym znaczącym odkryciem w ramach Klastra Doskonałości jest to, że po raz pierwszy w izolatorze topologicznym wygenerowano ekscytony, co stanowi kolejny przełom. Odkrycie to otwiera nowe możliwości rozwoju sterowanych światłem chipów komputerowych i procesorów kwantowych. Wzajemne oddziaływanie światła i ekscytonów wykorzystywane jest do tworzenia kubitów, podstawowych jednostek obliczeniowych komputerów kwantowych.

Wyniki tych badań mogą w przyszłości doprowadzić do rewolucyjnych zmian w komunikacji kwantowej i informatyce. Klaster Doskonałości otrzymuje fundusze w ramach strategii doskonałości rządów federalnych i stanowych.