Naukowcy z Politechniki Drezdeńskiej (TUD) i Politechniki Monachijskiej (TUM) odkryli zupełnie nowy rodzaj przejścia fazowego. Pokazują zjawisko splątania kwantowego obejmującego wiele atomów, które dotychczas obserwowane było tylko w obszarze kilku atomów. Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym Nature.

W fizyce kot Schrödingera jest alegorią dwóch najbardziej imponujących efektów mechaniki kwantowej, tj. splątania i superpozycji. Naukowcy z Drezna i Monachium zaobserwowali teraz to zachowanie na znacznie większą skalę niż najmniejsze cząstki. Do tej pory było wiadomo, że materiały o właściwościach takich jak magnetyzm posiadają tzw. domeny – wyspy, w których właściwości materiałów są jednorodne. Gdyby to były kolory, to byłyby czarno - białe wyspy. Jednak badając fluorek litowo - holmowy (LiHoF4), fizycy odkryli zupełnie nowe przejście fazowe, w którym domeny niespodziewanie wykazują właściwości mechaniki kwantowej, powodując splątanie ich właściwości (przy jednoczesnym zachowaniu czerni i bieli).

„Nasz kot kwantowy ma teraz nowe futro, ponieważ odkryliśmy nowe kwantowe przejście fazowe w LiHoF4, którego istnienie nie było wcześniej znane” – tłumaczy Matthias Vojta, kierownik Katedry Teoretycznej Fizyki Ciała Stałego na Politechnice w Dreźnie.

Właściwości takie jak magnetyzm czy nadprzewodnictwo wynikają z przejść fazowych elektronów w kryształach. W przypadku przejść fazowych w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego przy -273,15°C, w grę wchodzą efekty mechaniki kwantowej, takie jak splątanie i kwantowe przejścia fazowe.

W bardzo niskich temperaturach LiHoF4 działa jak ferromagnes, w którym wszystkie momenty magnetyczne spontanicznie wskazują ten sam kierunek. Jeśli pole magnetyczne zostanie przyłożone dokładnie pionowo do preferowanego kierunku magnetycznego, momenty magnetyczne zmienią kierunek, co nazywamy fluktuacjami. Im wyższa siła pola magnetycznego, tym silniejsze stają się te fluktuacje, aż w końcu ferromagnetyzm całkowicie zniknie w kwantowym przejściu fazowym. Prowadzi to do splątania sąsiednich momentów magnetycznych.

„Jeśli przyniesiesz próbkę LiHoF4 do bardzo silnego magnesu, nagle przestaje on być spontanicznie magnetyczny. Wiadomo o tym od 25 lat – mówi Vojta.

Nowością jest to, co się dzieje, gdy zmieniasz kierunek pola magnetycznego.

„Odkryliśmy, że kwantowe przejście fazowe nadal zachodzi, podczas gdy wcześniej sądzono, że nawet najmniejsze nachylenie pola magnetycznego natychmiast je stłumi” – wyjaśnia współautor badania, profesor topologii układów skorelowanych na Politechnice w Monachium, Christian Pfleiderer.

Jednak w tych warunkach nie poszczególne momenty magnetyczne ulegają kwantowym przejściom fazowym, ale dość rozległe obszary magnetyczne, tzw. domeny ferromagnetyczne.

„Do naszych precyzyjnych pomiarów użyliśmy próbek sferycznych. To pozwoliło nam dokładnie zbadać zachowanie niewielkich zmian kierunku pola magnetycznego – dodaje Andreas Wendl, który eksperymenty prowadził w ramach swojej rozprawy doktorskiej.

„Odkryliśmy zupełnie nowy rodzaj kwantowego przejścia fazowego, w którym splątanie zachodzi w skali wielu tysięcy atomów, a nie tylko w mikrokosmosie kilku” – wyjaśnia Vojta. „Jeśli wyobrazisz sobie domeny magnetyczne jako czarno - biały wzór, nowe przejście fazowe powoduje, że białe lub czarne obszary stają się nieskończenie małe, to znaczy tworzą wzór kwantowy i nie rozpuszczają się całkowicie”.

Nowo opracowany model teoretyczny z powodzeniem wyjaśnia dane uzyskane z eksperymentów.