Kvantová kočka má nový kožíšek. Kredit: Christoph

Magnety, supravodiče a podobné materiály jsou fascinující díky svým vlastnostem. Aby toho nebylo málo, jejich vlastnosti se mohou spontánně měnit za extrémních podmínek. Německý tým Technische Universität Dresden (TUD) a Technische Universität München (TUM), který vedl Christian Pfleiderer z TUM, nedávno objevil doposud neznámý typ takových fázových přechodů.

Jsou projevem kvantového provázání (entanglementu), které zahrnuje množství atomů. Podobné jevy byly doposud pozorovány jen s málo atomy. Jde přitom o materiály, které vykazují určité vlastnosti, například magnetismus, v podobě domén (domains), souvislých „ostrovů“ daného materiálu, které celé nesou buď ten či onen stav dotyčné vlastnosti. Jako kdyby byly černé nebo bílé.

Matthias Vojta (vlevo) a Christian Pfleiderer (vpravo). Kredit: Daniel Peter/ct.qmat.

Pfleidererův tým pracoval s fluoridem lithia a holmia (LiHoF₄). Narazili při tom na neznámý fázový přechod, při němž domény v materiálu překvapivě vykazují kvantově mechanické rysy jako celky. V důsledku toho jsou jejich stavy kvantově provázané, jako by byly černé a zároveň bílé. Matthias Vojta z TUD použil libozvučný příměr: „Naše kvantová kočka má nový kožíšek“ (německy rozkošně „Schrödingers Katze mit Quantenfell“). Vystopovali kvantový fázový přechod, který zatím, pokud víme, nikdo nikdy neviděl.

Logo. Kredit: TU Dresden.

Jak podotýká Pfleiderer, během 30 let rozsáhlého výzkumu fázových přechodů ve kvantových materiálech vědci vždy předpokládali, že jde o spontánní jevy, které zahrnují vždy jen několik atomů současně. Tentokrát ale pozorovali kvantové provázání při fázovém přechodu v měřítku tisícovek atomů.

Klíčem podle všeho byla volba zmíněné sloučeniny, proslulé výstřední vlastnostmi. Už dlouho se ví, že se fluorid lithia a holmia za velmi nízkých teplot chová jako feromagnet, v němž všechny magnetické momenty spontánně míří stejným směrem. Při působení magnetického pole vertikálním směrem ke směru magnetických momentů dochází ke změnám směru těchto momentů, které se označují jako fluktuace.

S rostoucí silou magnetického pole se zvětšují i fluktuace, až nakonec dojde ke kvantovému fázovému přechodu, feromagnetismus zmizí a sousední magnetické momenty se kvantově provázají. Pfleiderer a spol. zjistili, že se to netýká jednotlivých momentů, ale celých feromagnetických domén, které zahrnují mnoho magnetických momentů mířících stejným směrem. Jejich výzkum otevírá dveře praktickým aplikacím, jako jsou například kvantové počítače nebo kvantové senzory.

Literatura

TU Dresden 5. 9. 2022.

Nature 609: 65–70.