Insbruko universiteto (Austrija) fizikai teoretikai suformulavo naują koncepciją, kuri aprašo egzotinių, dar vadinamų topologinėmis, medžiagos būsenų sukūrimą daugiakūnėse kvantinės mechanikos sistemose.
Mokslininkai susiejo kvantinės optikos ir kondensuotųjų medžiagų fizikos idėjas ir parodė, kaip būtų galima pradėti konstruoti kvantinį kompiuterį, atsparų trikdžiams. Tyrėjų darbas publikuotas prestižiniame žurnale „Nature Physics“.
Prieš trejus metus tyrėjų komanda, kuriai vadovavo Sebastianas Dielas (Sebastian Diehl) ir Piteris Zoleris (Peter Zoller), pristatė visiškai naują metodą, leidžiantį kurti kvantines būsenas daugiakūnėse sistemose. Jie panaudojo fizikinį reiškinį, kuris paprastai gerokai padidina sistemos netvarkos lygį – sklaidą. Klasikinėje fizikoje sklaida, dar vadinama disipacija, paaiškina šilumos susidarymą dėl trinties poveikio.
Įdomu tai, kad kvantinėje fizikoje sklaida gali nulemti tvarką, o tai leidžia susidaryti daugiakūnei būsenai. Šį pavasarį Insbruko universiteto tyrėjų komanda, vadovaujama fiziko eksperimentuotojo Rainerio Blato (Rainer Blatt), eksperimentiškai parodė, kad į pagalbą pasitelkus sklaidą galima sukurti ir sustiprinti tam tikrus kvantinius efektus. Susieję kvantinės optikos ir kondensuotųjų medžiagų fizikos idėjas, Insbruko universiteto Teorinės fizikos instituto bei Austrijos mokslų akademijos Kvantinės optikos bei kvantinės informacijos instituto teoretikai sugalvojo, kaip galima sėkmingai panaudoti sklaidos reiškinį.
Visai neseniai kondensuotųjų medžiagų fizikoje kelią prasiskynė nauja koncepcija, aprašanti daugiakūnių sistemų tvarką. Ji vadinama topologine tvarka. Du topologinių reiškinių pavyzdžiai yra kvantinis Holo efektas, apie kurį pirmąkart prabilta prieš maždaug 30 metų, ir topologiniai izoliatoriai, kurie savo viduje elgiasi kaip elektriniai izoliatoriai, tačiau jų paviršiuje gali vykti krūvininkų pernaša. S. Dielo ir P. Zolerio vadovaujama fizikų teoretikų komanda siūlo kvantinėse sistemose išnaudoti sklaidos sužadintus Majorano fermionus. Šis topologinis reiškinys buvo pavadintas italų fiziko Etorės Majorano (Ettore Majorana) vardu ir jis aprašo daleles, kurios kartu yra ir savo antidalelės.
„Mes demonstruojame naują kontroliuojamą metodą, leidžiantį kvantinėse sistemose sukurti Majorano fermionus, – aiškina S. Dielas. – Šiam tikslui mes naudojame disipacinę dinamiką, kuri priverčia sistemą pereiti į šią būseną ir sugrąžina iš jos, kuomet atsiranda trikdymų“. Taikydami šį artinį, mokslininkai išnaudoja sklaidos ir topologinės tvarkos privalumus – abu reiškiniai yra ganėtinai atsparūs trikdžiams, pavyzdžiui, netvarkai. Taigi, jų siūlymas Majorano fermionus sužadinti kvantinėje atominėje vielutėje domina eksperimentuotojus. Manoma, jog šiuos darinius galima panaudoti konstruojant kvantinius kompiuterius. Kvantinėse vielutėse atomai izoliuojami ir suformuoja vienmates struktūras. Tai atliekama naudojant optines gardeles, kurias sukuria lazerio spinduliuotė – tuomet Majorano fermionai sužadinami abejuose atominės grandinės galuose.
S. Dielas su savo komanda susiejo kondensuotųjų medžiagos fizikos ir kvantinės mechanikos išmanymą. „Mes dirbame šių dviejų disciplinų sandūroje, o tai atveria naujas stulbinančias galimybes“, – pasakoja jis. Pirmiausia mokslininkai turėjo įrodyti, jog topologinės tvarkos koncepciją galima susieti su disipacijos kontekstu. „Mes sugebėjome įrodyti, kad topologiniai ypatumai galioja ir sistemose, kurios pasižymi disipacine dinamika“, – džiaugiasi mokslininkas. Matematinis naujojo metodo įrodymas pateiktas prestižiniame žurnale „Nature Physics“.
