Különleges anyagok tervezése
Az UC Santa Barbara kutatócsoportja régóta vizsgálja a szokatlan anyagállapotok fizikáját, miközben olyan anyagokat is fejleszt, amelyek előnyösek lehetnek a kvantumtechnológiák számára. Egyik legfrissebb felfedezésük azt mutatta meg, hogy az úgynevezett hosszú távú rend frusztrációjának kihasználásával egészen különleges mágneses állapotok hozhatók létre. Ezek a kvantumállapotok egyelőre az alapkutatást szolgálják, de hosszabb távon a kvantumalapú eszközök fejlesztésében is fontos szerepet kaphatnak.
Mikroszkopikus mágnesek és geometriai csapdahelyzetek
Az anyag mágnesességét legegyszerűbben úgy lehet elképzelni, mintha apró rúdmágnesek ülnének az atomrács pontjain. Ezek a mágneses dipólmomentumok egymással kölcsönhatva igyekeznek a lehető legkisebb energiájú, vagyis alapállapotba kerülni. Antiferromágneses rendszerek esetében – például egy négyzetes rácsban – könnyen be tudnak rendeződni úgy, hogy minden dipól szomszédjával ellentétes irányba mutat. Ám ha az atomok háromszög alakzatot formálnak, elkerülhetetlenül ellentétekbe kerülnek egymással: egyszerűen lehetetlen minden szomszédnak ellentétes irányba mutatni, így a rendszer frusztrálódik, nem képes teljesen rendezett alapállapotba kerülni.
Kötési frusztráció: amikor az elektronok is csapdába esnek
Nemcsak a mágneses kölcsönhatások lehetnek frusztráltak; nagyon hasonló frusztráció léphet fel az elektronok kötésein keresztül is. Ha két közeli ion megpróbál megosztani egy elektront – úgynevezett atomi dimert létrehozva –, bizonyos kristályszerkezetekben, például háromszögrácsos vagy méhsejtes hálózatokban, ezek a kötési minták szintén feszültté válnak és rendezetlenné alakulhatnak. Az ilyen hálózat érzékenyen reagál a mechanikai feszültségre: egy kis erőhatás máris csökkentheti a kötési frusztrációt.
Az igazán ritka anyagok közé azok tartoznak, amelyekben mindkét típusú frusztráció egyszerre jelenik meg. Ilyenkor a mágneses és a kötési frusztráció egymásra hat, és újfajta, különleges állapotokat hozhat létre.
Egymásra épülő frusztrált rendszerek
Az utóbbi évek kutatásai azt mutatták, hogy az úgynevezett lantanidákat tartalmazó háromszögrácsokból felépülő anyagokban nagyon különleges – kvantumilag rendezetlen – mágneses állapotok léphetnek fel. Ha ezt a mágneses frusztrációt sikerül kombinálni egy további kötési frusztrációval, új lehetőségek nyílnak meg: például a mágneses rend kialakulása akár külső feszültséggel vagy mágneses térrel precízen hangolhatóvá válik.
Az ilyen rendszerek képesek lehetnek az úgynevezett hosszú hatótávolságú kvantumösszefonódás létrehozására is, amely a kvantuminformatika kulcsfogalma. Ebből adódóan egy olyan új szintű irányítás válhat lehetővé, amelynek során például egy kis feszültség hatására a mágneses rend is átalakulhat, vagy éppen fordítva.
Új utakon a kvantumállapotok vezérlése
Ha két ilyen, rendkívül érzékeny és frusztrált rendszer egyszerre van jelen egy anyagban, a tudósok számára rendkívül izgalmas kérdés, hogy lehetséges-e a kölcsönös befolyásolásuk. Például, ha az egyik rétegben rendeződés alakul ki, az átterjedhet a másik rétegre is. Ez új típusú funkciókat és válaszkészséget adhat az anyagnak, amely egyébként ilyen módon nem létezne.
Végső soron az a cél, hogy többféle rendezett állapot is egymás mellett jelenhessen meg: az ilyen szinergikus kvantumállapotokat kihasználva pedig teljesen új alapokra helyezhető a kvantumtechnológia fejlődése.
