O sistema:Uma rede de cristal feita de luz captura átomos em várias folhas de duas camadas. As imagens tomográficas mostram as densidades (de spin) em uma única camada. Eles fornecem informações sobre a ordem magnética dos átomos. A imagem à direita mostra a densidade de uma camada em média em doze realizações (vermelho alaranjado). Crédito:Marcell Gall, Nicola Wurz et al./ Nature
Eles são finos como um cabelo, apenas cem mil vezes mais finos - os chamados materiais bidimensionais, consistindo em uma única camada de átomos, têm crescido em pesquisa há anos. Eles se tornaram conhecidos por um público mais amplo quando dois cientistas russo-britânicos receberam o Prêmio Nobel de Física em 2010 pela descoberta do grafeno, um bloco de construção de grafite. A característica especial de tais materiais é que eles possuem novas propriedades que só podem ser explicadas com a ajuda das leis da mecânica quântica e que podem ser relevantes para tecnologias aprimoradas. Pesquisadores da Universidade de Bonn (Alemanha) agora usaram átomos ultracold para obter novos insights sobre fenômenos quânticos até então desconhecidos. Eles descobriram que as ordens magnéticas entre dois filmes finos de átomos acoplados competem entre si. O estudo foi publicado na revista Natureza .
Os sistemas quânticos realizam estados únicos da matéria originários do mundo das nanoestruturas. Eles facilitam uma ampla variedade de novas aplicações tecnológicas, por exemplo. contribuindo para a criptografia de dados segura, introduzindo dispositivos técnicos cada vez menores e mais rápidos e até possibilitando o desenvolvimento de um computador quântico. No futuro, tal computador poderia resolver problemas que os computadores convencionais não podem resolver de todo ou apenas por um longo período de tempo.
Como surgem fenômenos quânticos incomuns ainda está longe de ser totalmente compreendido. Para esclarecer isso, uma equipe de físicos liderada pelo Prof. Michael Köhl da Matter and Light for Quantum Computing Cluster of Excellence da Universidade de Bonn está usando os chamados simuladores quânticos, que imitam a interação de várias partículas quânticas - algo que não pode ser feito com métodos convencionais. Mesmo modelos de computador de última geração não podem calcular processos complexos como magnetismo e eletricidade até o último detalhe.
Átomos ultracold simulam sólidos
O simulador usado pelos cientistas consiste em átomos ultracold - ultracold porque sua temperatura é apenas um milionésimo de grau acima do zero absoluto. Os átomos são resfriados usando lasers e campos magnéticos. Os átomos estão localizados em redes ópticas, isto é, ondas estacionárias formadas pela sobreposição de feixes de laser. Por aqui, os átomos simulam o comportamento dos elétrons no estado sólido. A configuração experimental permite que os cientistas realizem uma ampla variedade de experimentos sem modificações externas.
O sistema:uma estrutura de cristal feita de luz aprisiona átomos em várias folhas de camada dupla. As imagens tomográficas mostram as densidades (spin) em uma única camada. Eles fornecem informações sobre a ordem magnética dos átomos. A imagem à direita mostra a densidade de uma camada em média em doze realizações (vermelho alaranjado). Crédito:© Marcell Gall, Nicola Wurz et al./ Nature
Dentro do simulador quântico, os cientistas têm, pela primeira vez, conseguiu medir as correlações magnéticas de exatamente duas camadas acopladas de uma rede de cristal. "Por meio da força desse acoplamento, fomos capazes de girar a direção em que o magnetismo se forma em 90 graus - sem alterar o material de qualquer outra forma, "primeiros autores Nicola Wurz e Marcell Gall, alunos de doutorado no grupo de pesquisa de Michael Köhl, explique.
Para estudar a distribuição de átomos na rede óptica, os físicos usaram um microscópio de alta resolução com o qual foram capazes de medir as correlações magnéticas entre as camadas individuais da rede. Desta maneira, eles investigaram a ordem magnética, isto é, o alinhamento mútuo dos momentos magnéticos atômicos no estado sólido simulado. Eles observaram que a ordem magnética entre as camadas competia com a ordem original dentro de uma única camada, concluindo que as camadas mais fortemente foram acopladas, as correlações mais fortemente formadas entre as camadas. Ao mesmo tempo, as correlações dentro das camadas individuais foram reduzidas.
Os novos resultados permitem compreender melhor o magnetismo que se propaga nos sistemas de camadas acopladas em nível microscópico. No futuro, as descobertas são para ajudar a fazer previsões sobre propriedades de materiais e alcançar novas funcionalidades de sólidos, entre outras coisas. Desde a, por exemplo, a supercondutividade de alta temperatura está intimamente ligada aos acoplamentos magnéticos, as novas descobertas poderiam, a longo prazo, contribuir para o desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em tais supercondutores.
A Matéria e a Luz para Computação Quântica (ML4Q) Cluster de Excelência
O Cluster de Excelência Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) é uma cooperação de pesquisa pelas universidades de Colônia, Aachen e Bonn, bem como o Forschungszentrum Jülich. É financiado como parte da Estratégia de Excelência dos governos federal e estadual da Alemanha. O objetivo do ML4Q é desenvolver novas arquiteturas de computação e rede usando os princípios da mecânica quântica. O ML4Q amplia e amplia a experiência complementar nos três principais campos de pesquisa:física do estado sólido, óptica quântica, e ciência da informação quântica.
O Cluster of Excellence está integrado na Área de Pesquisa Transdisciplinar "Blocos de Construção da Matéria e Interações Fundamentais" da Universidade de Bonn. Em seis TRAs diferentes, cientistas de uma ampla gama de faculdades e disciplinas se reúnem para trabalhar em tópicos de pesquisa relevantes para o futuro.
