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Zum ersten Mal entdeckten Wissenschaftler im Labor einen lange vorhergesagten, aber bisher ungesehenen Zustand der Materie. Durch das Abfeuern eines Lasers auf ein ultrakaltes Gitter aus Rubidiumatomen zwangen die Wissenschaftler die Atome in eine chaotische Suppe der Quantenunsicherheit, die als bekannt ist Quantum Schleuderdichte (flüssig).
Die Hypothese der Existenz der Quantenspindichte – ein seltener Materiezustand, in dem sich bei Nulltemperatur keine magnetische Fernordnung bildet – wurde bereits 1973 aufgestellt. Aber erst vor kurzem haben Wissenschaftler erstmals eine Quantenspinflüssigkeit unter Laborbedingungen beobachtet.
Der „flüssige“ Teil gehört zu den Elektronen, die sich bei niedrigen Temperaturen im Inneren des magnetischen Materials ständig verändern und oszillieren. Anders als bei gewöhnlichen Magneten stabilisieren sich hier die Elektronen nicht und setzen sich beim Abkühlen nicht im Strukturgitter des Festkörpers ab. Nachdem dieser Zustand nun aufgezeichnet wurde, hofft man, dass die Entdeckung die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer beschleunigen wird.
„Das ist ein ganz besonderer Moment auf diesem Gebiet“, sagt der Quantenphysiker Mykhailo Lukin von der Harvard University in Massachusetts. „Sie können diesen exotischen Zustand tatsächlich berühren und sogar hineinstöbern, ihn manipulieren, um seine Eigenschaften zu verstehen … es ist ein neuer Zustand der Materie, den die Menschen noch nie zuvor beobachten konnten.“
Herkömmliche Magnete enthalten Elektronen, deren Spin in der gleichen Richtung nach oben oder unten ausgerichtet ist, die Magnetismus erzeugt. In Quanten-Spin-Flüssigkeiten wird ein drittes Elektron eingeführt, sodass sich zwei entgegengesetzte Spins gegenseitig stabilisieren, während der Spin des dritten Elektrons das Gleichgewicht bricht. Dadurch entsteht ein "ungeordneter" Magnet, bei dem sich nicht alle Spins in derselben Richtung stabilisieren können.
Um ihr eigenes ungeordnetes Gittermuster zu erstellen, verwendete das Team einen programmierbaren Quantensimulator, der 2017 gebaut wurde. Der Simulator verwendet ein Quantencomputerprogramm, um Atome mit Lasern in beliebigen Formen – wie Quadraten, Dreiecken oder Waben – zu halten und kann verwendet werden, um verschiedene Quantenwechselwirkungen und -prozesse zu entwerfen. Der Simulator verwendet eng fokussierte Laserstrahlen, um die Atome einzeln anzuordnen, und durch die Anordnung der Rubidium-Atome in einem dreieckigen Gittermuster konnten die Forscher einen instabilen Magneten mit den Eigenschaften der Quantenverschränkung erzeugen – bei dem Änderungen in einem Atom zusammenfallen mit einem zweiten verschränkten Atom.
Die Bindungen zwischen den Atomen deuteten darauf hin, dass tatsächlich eine Quantenspindichte erzeugt worden war.
„Sie können die Atome so weit treiben, wie Sie wollen, Sie können die Frequenz des Lasers ändern, Sie können die Parameter der Natur wirklich auf eine Weise verändern, die Sie in dem Material, in dem diese Dinge zuvor untersucht wurden, nicht konnten“, sagt Quantum Physiker Subir Sachdev von der Harvard University. "Hier kann man sich jedes Atom anschauen und sehen, was es tut."
Quantencomputer basieren auf Quantenbits oder Qubits, und man hofft, dass Quantenspinflüssigkeiten dabei helfen werden, topologische Qubits zu entwickeln, die besser vor externem Rauschen und Interferenzen geschützt sind.
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