Впервые исследователи наблюдали, как триплоны, экзотические магнитные квазичастицы, составляющие волны квантовой запутанности электронов, переходят из синглетного состояния в триплетное. Эти волны долгое время оставались неуловимыми, но теперь их удалось обнаружить благодаря особым свойствам искусственного квантового магнита. Это наблюдение открывает широкие перспективы для совершенствования квантовых вычислений и криптографии.
При объединении двух электронов с разными спинами угловой момент их спинов становится равным нулю, и пара образует так называемый синглетный электрон. С другой стороны, если эти два электрона имеют одинаковые спины, они не аннулируются и образуют триплет. Подавая энергию на электронную систему, можно возбудить электроны из синглетного состояния в триплетное. В некоторых случаях это возбуждение может распространяться через материал в виде волн квантовой запутанности, состоящих из "экзотических" магнитных квазичастиц, называемых триплетами. Квантовая запутанность возникает, когда две или более частиц обладают одинаковыми свойствами.
в обычных магнитных материалах такая квантовая запутанность не может возникнуть, триплеты крайне сложно наблюдать в природе. Измерение их в квантовых материалах остается сложной задачей из-за их необычных свойств. Именно здесь искусственные квантовые материалы могут дать значительное преимущество. "Эти материалы очень сложны. Они предлагают очень интересную физику, но самые экзотические из них также трудно найти и изучить. Поэтому мы пробуем другой подход, создавая искусственные материалы из отдельных компонентов", — поясняет в пресс-релизе ведущий исследователь нового исследования Петер Лильерот (Peter Liljeroth) из Университета Аалто (Финляндия). Такие искусственные материалы позволяют наблюдать явления, которые обычно невозможно увидеть в обычных материалах.
Искусственный квантовый материал, разработанный в рамках нового исследования, представляет собой квантовый магнит, состоящий из органических молекул. Если обычный магнит состоит из четко определенной биполярной системы, то расположение полюсов квантового магнита определяется принципом вероятности. В материалах такого типа взаимодействие электронов приводит к необычным явлениям, таким как высокотемпературная сверхпроводимость, сложные магнитные состояния и необычные электронные состояния. Все это делает его идеальным кандидатом для наблюдения явлений, неуловимых в естественных условиях, таких как квантовые переплетения в основании триплонов.
Квантовый магнит, описанный в журнале Physical Review Letters, состоит из пар молекул кобальт-фталоцианина, каждая из которых имеет два электрона, занимающих границы орбиталей. Эти простые молекулы использовались для того, чтобы легко сгруппировать электроны в ограниченном пространстве и заставить их взаимодействовать. Учитывая, что фундаментальные элементы содержат два электрона, физические элементы, необходимые для квантовой запутанности, таким образом, оказываются вместе.
В эксперименте, направленном на наблюдение триплетов, магнитные возбуждения сначала отслеживались на уровне отдельных молекул кобальт-фталоцианина, а затем на уровне все более крупных структур — от цепочек до молекулярных островов.
"Используя очень простые молекулярные элементы, мы смогли разработать и исследовать этот сложный квантовый магнит таким образом, который никогда не был возможен ранее, обнаружив явления, не наблюдаемые в его независимых частях", — объясняет Дрост.
Хотя магнитные возбуждения в атомах неоднократно наблюдались в прошлом с помощью туннельной спектроскопии, эффект распространения волн квантовой запутанности ранее не наблюдался.
Благодаря квантовому магниту, молекулярная структура которого была разработана вручную, исследовательская группа успешно продемонстрировала, что синглетно-триплетные возбуждения могут проходить через молекулярную решетку в виде триплетов. "Наши результаты представляют собой первую демонстрацию дисперсионных триплетных возбуждений из измерений в реальном пространстве", — пишут исследователи в своем исследовании. Помимо прочего, теперь можно рационально проектировать платформы для подобных явлений, что открывает широкий спектр применения технологий, основанных на квантовой физике.
В качестве следующего шага исследователи намерены расширить свой эксперимент, используя квантовые магниты, состоящие из более сложных молекул. Это может привести к дальнейшим наблюдениям экзотических магнитных возбуждений или к созданию новых протоколов для разработки более эффективных квантовых материалов.