Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một thiết bị mới cho phép họ thăm dò sự can thiệp của các quasiparticles, có khả năng mở đường cho sự phát triển của các qubit tôpô.
Qubits, các đơn vị được sử dụng để mã hóa thông tin trong điện toán lượng tử, không phải tất cả đều được tạo ra bằng nhau. Một số nhà nghiên cứu tin rằng các qubit topo, khó khăn hơn và ít bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn môi trường hơn các loại khác, có thể là phương tiện tốt nhất để thúc đẩy điện toán lượng tử tiến lên.
Vật lý lượng tử liên quan đến cách các hạt cơ bản tương tác và đôi khi kết hợp với nhau để tạo thành các hạt mới gọi là hạt quasiparticles. Các quasiparticles xuất hiện trong các mô hình lý thuyết lạ mắt, nhưng quan sát và đo lường chúng bằng thực nghiệm là một thách thức. Với việc tạo ra một thiết bị mới cho phép các nhà nghiên cứu thăm dò sự can thiệp của các quasiparticles, chúng ta có thể là một bước nhảy vọt gần hơn. Những phát hiện được công bố vào thứ Hai trong Vật lý Tự nhiên .
“Chúng tôi có thể thăm dò các hạt này bằng cách khiến chúng can thiệp”, Michael Manfra, Giáo sư Vật lý và Thiên văn học của Bill và Dee O’Brian tại Đại học Purdue cho biết. “Mọi người đã cố gắng làm điều này trong một thời gian dài, nhưng đã có những thách thức kỹ thuật lớn.”
Để nghiên cứu các hạt nhỏ này, nhóm của Manfra chế tạo các thiết bị nhỏ xíu bằng cách sử dụng kỹ thuật tăng trưởng tinh thể xây dựng lớp nguyên tử bằng lớp nguyên tử, được gọi là epit wax chùm phân tử. Các thiết bị nhỏ đến mức chúng giam giữ các electron thành hai chiều. Giống như một hòn bi lăn quanh bàn, chúng không thể di chuyển lên hoặc xuống.
Nếu thiết bị, hoặc “mặt bàn”, đủ sạch và mịn, thứ chi phối vật lý của thí nghiệm không phải là hành động riêng lẻ của các điện tử, mà là cách chúng tương tác với nhau. Để giảm thiểu năng lượng riêng lẻ của các hạt, nhóm của Manfra đã làm lạnh chúng xuống nhiệt độ cực thấp – khoảng -460 độ F. Ngoài ra, các điện tử đã chịu một từ trường lớn. Trong ba điều kiện sau: nhiệt độ cực lạnh, giới hạn ở hai chiều và tiếp xúc với từ trường, vật lý thực sự kỳ lạ bắt đầu xảy ra. Các nhà vật lý gọi đây là chế độ hội trường lượng tử phân đoạn.
“Trong những điều kiện kỳ lạ này, các electron có thể tự sắp xếp sao cho vật thể cơ bản trông giống như nó mang một phần ba điện tích”, Manfra, cũng là giáo sư kỹ thuật vật liệu, và kỹ thuật điện và máy tính cho biết. “Chúng tôi nghĩ rằng các hạt cơ bản là boson hoặc fermion, tùy thuộc vào độ xoáy của hạt, nhưng các quasiparticles của chúng ta có hành vi phức tạp hơn nhiều khi chúng phát triển xung quanh nhau. Xác định điện tích và tính chất thống kê của các trạng thái này là từ lâu thách thức trong vật lý lượng tử. “
Để làm cho các hạt can thiệp vào, nhóm của Manfra đã chế tạo một giao thoa kế: một thiết bị hợp nhất hai hoặc nhiều nguồn quasiparticles để tạo ra mô hình giao thoa. Nếu bạn ném hai hòn đá xuống một cái ao và sóng của chúng giao nhau tại một thời điểm nào đó, thì đây là nơi chúng sẽ tạo ra nhiễu và mô hình sẽ thay đổi.
Nhưng việc nhân rộng các hiệu ứng này ở quy mô nhỏ hơn nhiều là vô cùng khó khăn. Trong một không gian chật chội như vậy, các electron có xu hướng đẩy nhau, do đó, nó tiêu tốn thêm năng lượng để phù hợp với một electron khác vào không gian. Điều này có xu hướng làm rối các hiệu ứng nhiễu để các nhà nghiên cứu không thể nhìn thấy chúng rõ ràng.
Giao thoa kế Purdue vượt qua thách thức này bằng cách thêm các tấm kim loại chỉ cách các hạt quas giao thoa 25 nanomet. Các tấm kim loại sàng lọc các tương tác chống đẩy, giảm chi phí năng lượng và cho phép xảy ra nhiễu.
Thiết bị mới có các bức tường giống hệt nhau ở mỗi bên và cổng kim loại, hơi giống như một máy pinball. Nhưng không giống như một pinball, phân tán xung quanh một cách hỗn loạn, các electron trong thiết bị này tuân theo một mô hình rất nghiêm ngặt.
“Sự kỳ diệu của hiệu ứng hội trường lượng tử là tất cả dòng điện sẽ di chuyển trên rìa của mẫu, không qua giữa”, James Nakamura, Ph.D. ứng cử viên tại Purdue và tác giả chính của bài báo. “Khi các quasiparticles được xuyên qua bộ tách chùm, chúng bị chia làm đôi, theo nghĩa cơ học lượng tử. Điều đó xảy ra hai lần, tại hai bộ tách chùm và sự giao thoa xảy ra giữa hai con đường khác nhau.”
Trong một lĩnh vực vật lý kỳ quái như vậy, các nhà nghiên cứu có thể khó biết liệu những gì họ nghĩ họ đang nhìn thấy là những gì họ thực sự nhìn thấy. Nhưng những kết quả này cho thấy, có khả năng lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã chứng kiến sự giao thoa cơ học lượng tử của các quasiparticles.
Cơ chế này cũng có thể giúp phát triển các qubit tôpô xuống đường.
“Theo như chúng tôi biết, đây là nền tảng khả thi duy nhất để cố gắng thực hiện các thí nghiệm phức tạp hơn, có thể, ở các trạng thái phức tạp hơn, là cơ sở của một qubit tôpô,” Manfra nói. “Chúng tôi đã cố gắng xây dựng những thứ này trong một thời gian, với mục tiêu cuối cùng là xác nhận một số thuộc tính rất lạ này. Chúng tôi chưa đi đến đó, nhưng chúng tôi đã cho thấy đây là cách tốt nhất để tiến lên.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Purdue . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :