Foto: AI/ScienceDaily.com

V představte si svět, kde by kvantová informace mohla být uchovávána téměř nezničitelně. To není sci-fi, ale potenciální realita, kterou přináší výzkum nepolapitelných kvazičástic zvaných fraktóny. Tyto exotické částice, které se zdají být téměř nehybné, by mohly být klíčem k revoluci v oblasti kvantové technologie.

Autor původního článku: redakce

Fraktóny: Kvazičástice s omezenou pohyblivostí

Vědci z Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) udělali významný krok k tomu, aby jedna z neobvyklejších předpovědí kvantové fyziky byla blíže experimentální realitě. Fraktóny, exotické kvazičástice, které byly dříve předpovězeny v kvantových spinových kapalinách pomocí vysoce zobecněných teorií gaugeových polí, se nyní objevily i v simulacích realističtějšího kvantového modelu pevných látek.

Simulace a výzvy kvantových modelů

Kvazičástice vznikají z kolektivního chování mnoha interagujících částic uvnitř pevné látky. Například vibrace pohybující se krystalovou mřížkou mohou být popsány jako kvazičástice známé jako fonony. Fraktóny jsou však mnohem neobvyklejší. Objevují se na rozích magnetických doménových stěn oddělujících různé uspořádání spinů a jejich definujícím rysem je jejich extrémně omezená pohyblivost.

Jednotlivý fraktón se v podstatě nemůže pohybovat sám a může být posunut pouze prostřednictvím interakcí s jinými fraktóny. Tato omezení by mohla být potenciálně užitečná. Protože je tak obtížné fraktóny přemístit, vědci navrhli, že by mohly poskytnout způsob, jak uchovávat kvantovou informaci robustněji.

Teoretické předpovědi a jejich praktické testování

Fyzici předpověděli, že fraktóny by se mohly vyskytovat v několika typech systémů, včetně kvantových spinových kapalin. Tyto jsou neobvyklými stavy hmoty v krystalech, kde se magnetické momenty elektronů nikdy neusadí do pevného uspořádání, dokonce ani při 0° K. Místo toho pokračují v kolísání způsobem, který připomíná neustálý pohyb atomů v kapalině.

Dosud nebyly fraktóny předpovězené v kvantových spinových kapalinách přímo pozorovány v experimentech. Teoretické předpovědi těchto částic se opíraly o vysoce zobecněné teorie gaugeových polí (rank-2 U(1) gaugeové teorie). Studie vedená profesorem Johannesem Reutherem a doktorem Nilsem Niggemannem nyní posunula myšlenku blíže k experimentálnímu testování tím, že ukázala, že fraktóny mohou také vznikat v realističtějším modelu kvantové pevné látky.

Výzvy a pokroky v simulacích

Předchozí práce výzkumné skupiny však narazila na hlavní problém. Když byly kvantové efekty příliš silné, fraktóny zmizely. Když byly příliš slabé, fraktóny mohly přežít pouze jako klasické částice bez skutečného kvantového chování. Vylepšením způsobu, jakým model reprezentuje interakce mezi spiny, byli vědci schopni tuto obtíž překonat. Jejich nové numerické simulace poskytují důkazy, že hledaná fáze hmoty může existovat za realističtějších kvantových podmínek.

Od teorie k experimentální detekci

„Při modelování této složité spinové interakce těžíme z osobních výměn s kolegy z HZB v oblasti experimentální fyziky pevných látek,“ řekl Johannes Reuther. Další výzvou je identifikovat nebo vytvořit skutečné fyzikální systémy, které reprodukují podmínky předpokládané v teoretickém modelu. To by mohlo umožnit vědcům experimentálně otestovat, zda se předpovězené fraktóny skutečně objevují.

Simulátory Rydbergových atomů jsou jednou z možných platforem pro takový experiment a mohly by poskytnout slibnou cestu k konečné detekci těchto nepolapitelných kvantových kvazičástic.