«Βαριά» ηλεκτρόνια: Το απρόσμενο κλειδί για τους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος

Μια ανακάλυψη από την Ιαπωνία έρχεται να ανατρέψει όσα γνωρίζαμε μέχρι σήμερα για τα ηλεκτρόνια και να ανοίξει έναν νέο δρόμο στην ανάπτυξη της κβαντικής τεχνολογίας. Ερευνητές του University of Osaka εντόπισαν μια παράξενη συμπεριφορά σε ηλεκτρόνια που φαίνονται να έχουν πολύ μεγαλύτερη μάζα από τη συνηθισμένη, τα λεγόμενα «βαριά ηλεκτρόνια» ή «βαριά φερμιόνια». Το εντυπωσιακό είναι ότι αυτά τα ηλεκτρόνια βρέθηκαν να βρίσκονται σε κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής, ακολουθώντας τον απόλυτα θεμελιώδη χρονικό περιορισμό της φυσικής, τον χρόνο Planck.

Η ανατροπή των βεβαιοτήτων

Στην κλασική φυσική, τα ηλεκτρόνια έχουν συγκεκριμένη μάζα και ιδιότητες. Ωστόσο, όταν σε ένα στερεό υλικό τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας αλληλεπιδρούν έντονα με εντοπισμένα μαγνητικά ηλεκτρόνια, παρουσιάζουν ένα φαινόμενο που τους προσδίδει «τεχνητά» αυξημένη μάζα. Αυτή η κατάσταση δημιουργεί τα λεγόμενα βαριά φερμιόνια, τα οποία εδώ και δεκαετίες αποτελούν αντικείμενο μελέτης στην κβαντική φυσική στερεάς κατάστασης. Οι ιδιότητες τους συνδέονται με παράξενες μορφές υπεραγωγιμότητας και μη συνηθισμένες ηλεκτρονικές συμπεριφορές.

Η ομάδα των ερευνητών επικεντρώθηκε στο υλικό CeRhSn (Δημήτριο - Ρόδιο - Κασσίτερος), το οποίο ανήκει σε μια κατηγορία συστημάτων βαρέων φερμιονίων με δομή τύπου quasi-kagome, γνωστή για τα φαινόμενα γεωμετρικής «ματαίωσης» που προκαλεί. Το συγκεκριμένο υλικό είχε ήδη δείξει ενδείξεις συμπεριφοράς που δεν συμβαδίζει με το παραδοσιακό μοντέλο Fermi, και γι’ αυτό αποτέλεσε ιδανικό πεδίο πειραματισμού.

Κβαντική διεμπλοκή σε θερμοκρασίες-έκπληξη

Μετρώντας με ακρίβεια το φάσμα ανάκλασης του CeRhSn, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η μη-Fermi υγρή συμπεριφορά του υλικού παραμένει ακόμα και σε θερμοκρασίες κοντά στη θερμοκρασία δωματίου. Αυτό από μόνο του αποτελεί έκπληξη, αφού τέτοιου είδους κβαντικά φαινόμενα συνηθίζουν να εκδηλώνονται μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι ότι η διάρκεια ζωής των βαρέων ηλεκτρονίων πλησιάζει τον χρόνο Planck, το κατώτατο χρονικό όριο που επιτρέπει η φυσική σε κβαντικά συστήματα. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια δεν είναι απλά βαριά, αλλά βρίσκονται και σε κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής που ελέγχεται από αυτό το θεμελιώδες μέγεθος.

Η σημασία της ανακάλυψης

Ο επικεφαλής της έρευνας, Dr. Shin-ichi Kimura από το University of Osaka, εξήγησε ότι τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν πως τα βαριά φερμιόνια σε αυτή την κβαντικά κρίσιμη κατάσταση είναι πράγματι διεμπλεγμένα. Το γεγονός ότι η διεμπλοκή αυτή ελέγχεται από τον χρόνο Planck παρέχει μια απτή και μετρήσιμη απόδειξη για το πώς τα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής συνδέονται με την πραγματική ύλη.

Η κβαντική διεμπλοκή θεωρείται ο ακρογωνιαίος λίθος της κβαντικής πληροφορικής. Η δυνατότητα να ελεγχθεί και να αξιοποιηθεί σε στερεά υλικά, όπως το CeRhSn, ανοίγει τον δρόμο για την ανάπτυξη νέων αρχιτεκτονικών κβαντικών υπολογιστών. Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες προσπάθειες επικεντρώνονταν σε υπεραγώγιμα κυκλώματα ή σε άτομα παγιδευμένα με laser. Αν όμως αποδειχθεί ότι η διεμπλοκή μπορεί να σταθεροποιηθεί σε στερεάς κατάστασης συστήματα και μάλιστα σε θερμοκρασίες κοντά στη δωματίου, τότε το όραμα ενός πρακτικού και ευρέως διαθέσιμου κβαντικού υπολογιστή έρχεται πιο κοντά.

Νέοι ορίζοντες στην τεχνολογία

Η μελέτη αυτή δεν αποτελεί μόνο μια θεωρητική πρόοδο στην κατανόηση των ισχυρά συσχετισμένων ηλεκτρονικών συστημάτων. Εισάγει και πρακτικές προοπτικές για την τεχνολογία. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο συνδυασμός βαρέων ηλεκτρονίων και του χρόνου Planck μπορεί να αποτελέσει θεμέλιο για νέες πλατφόρμες επεξεργασίας κβαντικής πληροφορίας, οι οποίες θα ξεπερνούν τα σημερινά όρια σε ταχύτητα και σταθερότητα.

Επιπλέον, η εδραίωση τέτοιων φαινομένων σε υλικά όπως το CeRhSn σημαίνει ότι μελλοντικές συσκευές δεν θα απαιτούν πλέον ακραία περιβάλλοντα, όπως ψύξη σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αυτό μεταφράζεται σε τεράστια εξοικονόμηση κόστους και κάνει πιο ρεαλιστική την ιδέα της μαζικής διάθεσης κβαντικών συστημάτων για επιστημονική, βιομηχανική αλλά και καθημερινή χρήση.

Το επόμενο βήμα

Οι επιστήμονες τονίζουν ότι βρισκόμαστε μόνο στην αρχή της κατανόησης αυτής της ασυνήθιστης κατάστασης της ύλης. Η επόμενη φάση θα είναι η διερεύνηση του πώς μπορεί να ελεγχθεί και να αξιοποιηθεί η διεμπλοκή βαρέων φερμιονίων σε διαφορετικά υλικά και συνθήκες. Η ανακάλυψη αυτή, όπως υπογραμμίζουν, δεν αφορά μόνο την προώθηση της κβαντικής πληροφορικής, αλλά και την επέκταση της θεμελιώδους γνώσης μας για τη φύση της ύλης και του χρόνου.

Όπως σημειώνει ο Dr. Kimura, «κάναμε ένα σημαντικό βήμα για να κατανοήσουμε πώς η κβαντική διεμπλοκή και η συμπεριφορά των βαρέων φερμιονίων αλληλεπιδρούν. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε τεχνολογικές εφαρμογές που σήμερα δύσκολα μπορούμε να φανταστούμε».

[via]