Saksi kunci membantu para ilmuwan mendeteksi keterikatan kuantum ‘menyeramkan’ dalam bahan padat
Physics

Saksi kunci membantu para ilmuwan mendeteksi keterikatan kuantum ‘menyeramkan’ dalam bahan padat

Belitan kuantum terjadi ketika dua partikel tampak berkomunikasi tanpa koneksi fisik, sebuah fenomena yang oleh Albert Einstein terkenal disebut “aksi seram di kejauhan.” Hampir 90 tahun kemudian, sebuah tim yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi AS mendemonstrasikan kelayakan “saksi keterjeratan kuantum” yang mampu membuktikan adanya keterjeratan antara partikel magnetik, atau putaran, dalam bahan kuantum.

Tim – termasuk peneliti dari ORNL, Helmholtz-Zentrum Berlin, Universitas Teknik Berlin, Institut Laue-Langevin, Universitas Oxford dan Universitas Adam Mickiewicz – menguji tiga saksi keterjeratan menggunakan kombinasi eksperimen hamburan neutron dan simulasi komputasi. Saksi keterjeratan adalah teknik yang bertindak sebagai alat analisis data untuk menentukan putaran mana yang melewati ambang batas antara alam klasik dan kuantum.

Pertama kali diperkenalkan oleh John Stewart Bell pada 1960-an, saksi keterjeratan menegaskan bahwa teori kuantum yang dipertanyakan oleh ilmuwan lain telah benar. Teknik Bell mengandalkan pendeteksian sepasang partikel pada satu waktu, tetapi pendekatan ini tidak berguna untuk mempelajari bahan padat yang terdiri dari triliunan dan triliunan partikel. Dengan menargetkan dan mendeteksi kumpulan besar putaran terjerat menggunakan saksi belitan baru, tim memperluas konsep ini untuk mengkarakterisasi bahan padat dan mempelajari perilaku eksotis dalam superkonduktor dan magnet kuantum.

Putaran material, digambarkan sebagai bola merah, diperiksa oleh neutron yang tersebar. Menerapkan saksi keterjeratan, seperti perhitungan QFI dalam gambar, menyebabkan neutron membentuk semacam pengukur kuantum. Alat pengukur ini memungkinkan para peneliti untuk membedakan antara fluktuasi putaran klasik dan kuantum. Kredit: Nathan Armistead/ORNL, Departemen Energi AS

Untuk memastikan para saksi dapat dipercaya, tim menerapkan ketiganya pada bahan yang mereka ketahui terjerat karena studi dinamika putaran sebelumnya. Dua dari saksi, yang didasarkan pada pendekatan Bell, cukup menunjukkan adanya keterjeratan dalam rantai spin satu dimensi ini – garis lurus dari spin yang berdekatan yang berkomunikasi dengan tetangganya sementara mengabaikan partikel lain – tetapi yang ketiga, yang didasarkan pada teori informasi kuantum, bernasib sangat baik pada tugas yang sama.

“Informasi kuantum Fisher, atau QFI, saksi menunjukkan tumpang tindih yang erat antara teori dan eksperimen, yang menjadikannya cara yang kuat dan andal untuk mengukur keterjeratan,” kata Allen Scheie, rekan penelitian pascadoktoral di ORNL dan penulis utama bukti tim. makalah -of-concept diterbitkan di Tinjauan Fisik B.

Karena fluktuasi material yang tampak seperti kuantum di alam dapat disebabkan oleh gerakan termal acak, yang hanya menghilang pada skala suhu nol mutlak, sebagian besar metode modern tidak dapat membedakan antara alarm palsu ini dan aktivitas kuantum yang sebenarnya. Tim tidak hanya mengkonfirmasi prediksi teoretis bahwa keterjeratan meningkat seiring penurunan suhu, tetapi juga berhasil membedakan antara aktivitas klasik dan kuantum sebagai bagian dari demonstrasi QFI paling komprehensif sejak teknik ini diusulkan pada 2016.

“Materi yang paling menarik penuh dengan belitan kuantum, tetapi justru itulah yang paling sulit untuk dihitung,” kata ilmuwan hamburan neutron ORNL Alan Tennant, yang memimpin proyek yang berfokus pada magnet kuantum untuk Quantum Science Center, atau QSC , Pusat Penelitian Ilmu Informasi Quantum Nasional DOE yang berkantor pusat di ORNL.

Sebelumnya, tantangan untuk mengidentifikasi bahan kuantum dengan cepat menghadirkan penghalang jalan yang signifikan bagi misi pusat, yang melibatkan pemanfaatan keterjeratan untuk mengembangkan perangkat dan sensor baru sambil memajukan bidang ilmu informasi kuantum. Menyederhanakan proses ini dengan QFI memungkinkan peneliti QSC untuk fokus pada pemanfaatan kekuatan zat seperti fase materi langka yang disebut cairan spin kuantum dan bahan yang tidak menahan listrik yang disebut superkonduktor untuk penyimpanan data dan aplikasi komputasi.

“Kekuatan QFI berasal dari hubungannya dengan metrologi kuantum, di mana para ilmuwan menjerat beberapa kuasipartikel untuk mengecilkan ketidakpastian dan mendapatkan pengukuran yang sangat tepat,” kata Scheie. “Saksi QFI membalikkan pendekatan ini dengan menggunakan ketepatan pengukuran yang ada untuk menentukan jumlah minimum partikel yang terjerat pada setiap putaran. Ini adalah cara yang ampuh untuk mengungkapkan interaksi kuantum, yang berarti bahwa QFI benar-benar dapat diterapkan pada bahan magnetik kuantum apa pun.”

Setelah menetapkan bahwa QFI dapat mengkategorikan material dengan benar, tim menguji rantai putaran satu dimensi kedua, material yang lebih kompleks yang menampilkan anisotropi, yang merupakan properti yang menyebabkan putaran terletak pada bidang daripada berputar secara acak. Para peneliti menerapkan medan magnet ke rantai spin dan mengamati transisi belitan, di mana jumlah belitan turun menjadi nol sebelum muncul kembali. Mereka menerbitkan temuan ini di Surat Tinjauan Fisik.

Untuk mencapai hasil ini, para peneliti mempelajari kedua rantai spin menggunakan hamburan neutron dan kemudian menganalisis data warisan dari eksperimen yang dilakukan beberapa dekade lalu di Sumber Neutron ISIS di Inggris dan Institut Laue-Langevin di Prancis bersama dengan data baru dari Wide Angular-Range Chopper. Spektrometer terletak di Spallation Neutron Source, fasilitas pengguna DOE Office of Science yang dioperasikan oleh ORNL. Mereka juga menjalankan simulasi pelengkap untuk memvalidasi hasil terhadap data teoritis ideal.

Neutron, yang Tennant gambarkan sebagai “sangat sederhana,” adalah alat yang ideal untuk menyelidiki sifat-sifat material karena muatan netral dan sifatnya yang tidak merusak.

“Dengan mempelajari distribusi neutron yang tersebar dari sampel, yang mentransfer energi, kami dapat menggunakan neutron sebagai pengukur untuk mengukur keterjeratan kuantum tanpa bergantung pada teori dan tanpa memerlukan komputer kuantum masif yang belum ada, “Kata Tennan.

Menurut tim, kombinasi sumber daya komputasi dan eksperimental canggih ini memberikan jawaban tentang sifat belitan kuantum yang awalnya ditanyakan oleh para pendiri mekanika kuantum. Scheie mengharapkan bahwa perhitungan QFI kemungkinan akan menjadi bagian dari prosedur standar untuk eksperimen hamburan neutron yang pada akhirnya dapat mengkarakterisasi bahkan material kuantum yang paling misterius.

Para peneliti menerima dukungan dari DOE Office of Science, DOE’s Scientific Discovery melalui program Advanced Computing, QSC, program Penelitian dan Pengembangan Berarah Laboratorium ORNL, Center for Nanophase Materials Sciences – fasilitas pengguna DOE Office of Science yang berlokasi di ORNL – dan Dewan Riset Eropa di bawah Program Riset dan Inovasi Uni Eropa Horizon 2020.

Sumber: ORNL



Posted By : hk prize