Polski wkład w kwantową przyszłość

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego i University of British Columbia opisali, w jaki sposób w modelach magnetycznych może powstać zjawisko „samotnego spinonu”. Odkrycie to stanowi znaczący wkład w zrozumienie natury magnetyzmu i może mieć znaczenie dla rozwoju przyszłych technologii, takich jak komputery kwantowe czy nowe materiały magnetyczne. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

Magnesy są dziś nieodłącznym elementem nowoczesnych technologii – spotykamy je w komputerowych dyskach twardych, głośnikach, silnikach elektrycznych czy diagnostyce medycznej. Natura zjawisk magnetycznych wciąż nie została jednak kompleksowo zbadana.

W najnowszej pracy opublikowanej na łamach czasopisma „Physical Review Letters” fizycy z Wydziału Fizyki UW oraz University of British Columbia opisują powstanie tzw. samotnego spinonu. – Jest to egzotyczne wzbudzenie kwantowe, które może powstać w bardzo prosty sposób: wystarczy dodać jeden dodatkowy spin do stanu podstawowego jednowymiarowego modelu Heisenberga, czyli teoretycznego opisu szeregu wzajemnie oddziałujących spinów – tłumaczy dr hab. Miłosz Panfil, prof. UW z Wydziału Fizyki UW.

– Ten prosty zabieg pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają kwantowe wzbudzenia w materiałach magnetycznych, co może mieć znaczenie dla rozwoju komputerów kwantowych i nowych typów materiałów – dodaje dr hab. Krzysztof Wohlfeld, prof. UW z Wydziału Fizyki UW.

Samotny spinon

Badacze odkryli też, że ten sam efekt można uzyskać, gdy zamiast stanu podstawowego użyje się uproszczonego modelu tzw. VBS (ang. valence-bond solid), w którym spiny łączą się w pary w uporządkowany sposób. – Spinon w tym modelu można zrozumieć jako pojedynczy niesparowany spin, który „przemieszcza się” przez sieć takich sparowanych spinów. Jest to efekt silnego oddziaływania pomiędzy elektronami oraz zjawisk kwantowych, takich jak splątanie kwantowe – mówi Teresa Kulka, doktorantka realizująca badania naukowe na Wydziale Fizyki UW.

Podobne mechanizmy odgrywają kluczową rolę w tak fundamentalnych zjawiskach jak nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe czy ułamkowy efekt Halla w dwuwymiarowych cieczach kwantowych. Splątanie kwantowe to również fundament komputerów kwantowych i całej informatyki kwantowej.  To ważny krok w stronę lepszego zrozumienia kwantowych właściwości magnetyków.

– Nasze badania nie tylko pogłębiają wiedzę o magnesach, ale mogą mieć także dalekosiężne konsekwencje w innych dziedzinach fizyki i technologii – podsumowuje prof. Krzysztof Wohlfeld.