Mezinárodní tým vedený vědci z University College Cork v Irsku právě poskytl dosud nejpřesvědčivější důkaz o existenci stavu hmoty, který fyzikové sledují již více než půl století: takzvané kvantové spinové kapaliny.
Výsledky zveřejněné v časopise Nature by mohly znamenat zlom jak v základní fyzice, tak ve vývoji budoucích kvantových výpočetních technologií.
Stav, který se vymyká pravidlům chladu
Každodenní zkušenost nás učí něco zdánlivě nezpochybnitelného: když nějakou látku ochladíme, její atomy ztratí svou pohyblivost a nakonec se uspořádají do pevných struktur. Voda se mění v led, a čím nižší je teplota, tím větší je tendence hmoty mrznout. Kvantová mechanika však již desítky let předpovídá fascinující výjimky z tohoto základního přírodního pravidla.
Existuje exotická forma hmoty, ve které se ani při teplotách extrémně blízkých absolutní nule nikdy nevytvoří magnetický řád. Fyzikové ji nazývají kvantová spinová kapalina. Abychom pochopili, co to znamená, je užitečné si uvědomit, že každý atom má kvantovou vlastnost zvanou spin, která funguje jako malý mikroskopický kompas. Ve většině magnetických materiálů, když teplota klesne dostatečně nízko, se tyto spiny nakonec seřadí do stabilních vzorců, jako se řadí vojáci v armádě. Některé materiály se však tomuto trendu brání.
Související článek
V nich spiny nadále nekonečně kolísají, což je řízeno jevem známým jako kvantové provázání, což je hluboké spojení mezi částicemi, které se vymyká klasické intuici. Felix Flicker, spoluautor studie, jej popisuje působivým obrazem: „Obvykle si při představě kvantového provázání představíme pečlivě připravený experiment se dvěma nebo třemi částicemi. Ale v kvantové spinové kapalině je každý spin provázán se všemi ostatními. A to se děje přirozeně: tyto krystaly můžete najít ležet na zemi.
Nečistoty se stávají spojenci
Minerálem, který stojí v centru výzkumu, je herbertsmithit, poprvé syntetizovaný v roce 2004 a od té doby považovaný za nejlepšího kandidáta na hostitele tohoto kvantového stavu. Prokázat jeho přítomnost však bylo velkou výzvou. Krystal obsahuje malé magnetické nečistoty, které zkreslují měření, a výzkumníci se již léta snaží tyto falešné signály matematicky odstranit, aby se dostali ke skutečnému chování materiálu.
Skupina vedená Seamusem Davisem zvolila radikálně odlišný přístup. Místo aby nečistoty považovali za překážku, rozhodli se z nich udělat nástroj. Zacházeli s nimi jako s malými přírodními kubity, tj. kvantovými jednotkami informace schopnými působit jako přímí „svědci“ vnitřního chování krystalu. „Zavedením techniky kvantových svědků poskytujeme zcela nový pohled na fyziku kvantových spinových kapalin a poprvé přímo přistupujeme k jejich vnitřním excitacím neboli ‚spinonům‘,“ říká Davis.
Ion Wood-Thanan, rovněž spoluautor článku, používá k vysvětlení mechanismu analogii z každodenního života: „Měřením dynamiky těchto svědků můžeme odvodit vlastnosti kvantové kapaliny. Představte si, že vám přes bazén zavolá kamarád. Slyšíte ho, protože vibrace se šíří vodou. Nyní si představte stejnou situaci v moři. Jeho hlas uslyšíte dříve, protože slaná voda přenáší zvuk rychleji. Pozorováním toho, jak signál dorazí, můžete odvodit vlastnosti média, kterým prošel“.
Signály miliardkrát slabší než zemské pole.
K zachycení mimořádně slabých magnetických fluktuací produkovaných krystalem vyvinuli vědci techniku zvanou spinová spektroskopie. Použili k tomu přístroj známý jako SQUID, supravodivé kvantové interferenční zařízení, které patří mezi nejcitlivější magnetické detektory, jaké kdy byly vyrobeny.
Ukázalo se, že zaznamenaný signál je asi miliardkrát slabší než přirozené magnetické pole Země. Na první pohled to vypadalo jako náhodný šum, ale pečlivá analýza odhalila něco překvapivého: zdánlivý chaos se řídil velmi specifickým statistickým vzorcem zvaným růžový šum, který je přítomen v mnoha přírodních systémech. Díky této signatuře bylo možné rekonstruovat, jak spolu svědecké spiny interagují, a zjistit přítomnost vznikajících částic zvaných spinony.
Spinony: částice zrozené ze spolupráce
Spinony nejsou fundamentální částice jako elektrony nebo fotony. Jsou to kolektivní entity, které se objevují pouze tehdy, když mnoho částic interaguje velmi specifickým způsobem. Dobrým způsobem, jak si je představit, je představit si vlnu na sportovním stadionu: žádný jednotlivý divák není vlnou, ale když tisíce lidí koordinují své pohyby, vzniká nový jev s vlastními vlastnostmi. Spinony fungují podobným způsobem, i když v kvantové oblasti.
Jejich detekce je klíčová, protože je jednou z charakteristických vlastností kvantových spinových kapalin. Toto zjištění proto představuje jeden z nejpádnějších důkazů, že herbertsmithit skutečně ukrývá tento exotický stav hmoty.
Od minerálu k počítači budoucnosti
Důsledky tohoto objevu přesahují rámec základní fyziky. Odborníci naznačují, že kvantové spinové kapaliny by mohly sloužit jako základ pro budoucí kvantové počítače odolné vůči chybám, což je hlavním cílem současného technologického výzkumu. Přestože herbertsmithit zatím nemá přesně ty vlastnosti, které jsou k sestavení takového zařízení potřeba, Davisův tým uvádí výmluvnou historickou paralelu: křemík byl po desetiletí jen dalším minerálem bez zjevného využití, dokud se nestal základem celé počítačové revoluce. Kvantové spinové kapaliny, upozorňují vědci, mají potenciál vydat se podobnou cestou.