Sono sottili come un capello, solo centomila volte più sottili, i cosiddetti materiali bidimensionali, costituito da un unico strato di atomi, sono in forte espansione da anni nella ricerca. Sono diventati noti a un pubblico più ampio quando due scienziati russo-britannici hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2010 per la scoperta del grafene, un elemento costitutivo di grafite. La particolarità di tali materiali è che possiedono nuove proprietà che possono essere spiegate solo con l'aiuto delle leggi della meccanica quantistica e che possono essere rilevanti per le tecnologie avanzate. I ricercatori dell'Università di Bonn (Germania) hanno ora utilizzato atomi ultrafreddi per acquisire nuove conoscenze su fenomeni quantistici precedentemente sconosciuti. Hanno scoperto che gli ordini magnetici tra due pellicole sottili di atomi accoppiati competono tra loro. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Natura .

I sistemi quantistici realizzano stati della materia davvero unici provenienti dal mondo delle nanostrutture. Facilitano un'ampia varietà di nuove applicazioni tecnologiche, per esempio. contribuendo alla crittografia sicura dei dati, introducendo dispositivi tecnici sempre più piccoli e veloci e persino consentendo lo sviluppo di un computer quantistico. Nel futuro, un tale computer potrebbe risolvere problemi che i computer convenzionali non possono risolvere affatto o solo per un lungo periodo di tempo.

Il modo in cui sorgono fenomeni quantistici insoliti è ancora lontano dall'essere pienamente compreso. Per fare luce su questo, un team di fisici guidati dal Prof. Michael Köhl presso il Cluster of Excellence di Matter and Light for Quantum Computing presso l'Università di Bonn sta utilizzando i cosiddetti simulatori quantistici, che imitano l'interazione di diverse particelle quantistiche, cosa che non può essere eseguita con metodi convenzionali. Persino i modelli informatici più moderni non sono in grado di calcolare processi complessi come il magnetismo e l'elettricità fino all'ultimo dettaglio.

Gli atomi ultrafreddi simulano i solidi

Il simulatore utilizzato dagli scienziati è costituito da atomi ultrafreddi, ultrafreddi perché la loro temperatura è solo un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto. Gli atomi vengono raffreddati utilizzando laser e campi magnetici. Gli atomi si trovano in reticoli ottici, ovvero onde stazionarie formate dalla sovrapposizione di raggi laser. Per di qua, gli atomi simulano il comportamento degli elettroni allo stato solido. La configurazione sperimentale consente agli scienziati di eseguire un'ampia varietà di esperimenti senza modifiche esterne.

All'interno del simulatore quantistico, gli scienziati hanno, per la prima volta, è riuscito a misurare le correlazioni magnetiche di esattamente due strati accoppiati di un reticolo cristallino. "Grazie alla forza di questo accoppiamento, siamo stati in grado di ruotare la direzione in cui si forma il magnetismo di 90 gradi, senza cambiare il materiale in nessun altro modo, " primi autori Nicola Wurz e Marcell Gall, dottorandi nel gruppo di ricerca di Michael Köhl, spiegare.

Per studiare la distribuzione degli atomi nel reticolo ottico, i fisici hanno utilizzato un microscopio ad alta risoluzione con il quale sono stati in grado di misurare le correlazioni magnetiche tra i singoli strati reticolari. In questo modo, hanno studiato l'ordine magnetico, cioè l'allineamento reciproco dei momenti magnetici atomici nello stato solido simulato. Hanno osservato che l'ordine magnetico tra gli strati era in competizione con l'ordine originale all'interno di un singolo strato, concludendo che gli strati più forti erano accoppiati, le correlazioni più forti che si formano tra gli strati. Allo stesso tempo, le correlazioni all'interno dei singoli strati sono state ridotte.

I nuovi risultati consentono di comprendere meglio il magnetismo che si propaga nei sistemi di strati accoppiati a livello microscopico. Nel futuro, i risultati servono a fare previsioni sulle proprietà dei materiali e ad ottenere nuove funzionalità dei solidi, tra l'altro. Da quando, Per esempio, la superconduttività ad alta temperatura è strettamente legata agli accoppiamenti magnetici, le nuove scoperte potrebbero, a lungo termine, contribuire allo sviluppo di nuove tecnologie basate su tali superconduttori.

Cluster di eccellenza della materia e della luce per l'informatica quantistica (ML4Q)

Il Cluster of Excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) è una collaborazione di ricerca delle università di Colonia, Aquisgrana e Bonn, così come il Forschungszentrum Jülich. È finanziato nell'ambito della Strategia di eccellenza dei governi federale e statale tedeschi. L'obiettivo di ML4Q è sviluppare nuove architetture di calcolo e di rete utilizzando i principi della meccanica quantistica. ML4Q si basa ed estende le competenze complementari nei tre campi di ricerca chiave:fisica dello stato solido, ottica quantistica, e la scienza dell'informazione quantistica.

Il Cluster of Excellence è integrato nell'Area di ricerca transdisciplinare "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions" presso l'Università di Bonn. In sei diversi TRA, scienziati di un'ampia gamma di facoltà e discipline si riuniscono per lavorare su temi di ricerca rilevanti per il futuro.