Wetenschappers maken een kunstmatige kwantummagneet met quasideeltjes gemaakt van verstrengelde elektronen

Artistieke illustratie die de magnetische excitatie van kobalt-ftalocyaninemoleculen weergeeft, terwijl verstrengelde elektronen in triploons diffunderen. Krediet: Jose Lado/Aalto Universiteit

Een onderzoeksgroep detecteert voor het eerst een kwantumverstrengelingsgolf met behulp van metingen in de echte ruimte.

Triblons zijn lastige kleine dingen. Experimenteel is het erg moeilijk om te observeren. Zelfs dan voeren onderzoekers de tests meestal uit op microscopisch kleine materialen, waarbij de metingen worden uitgedrukt als een gemiddelde over het hele monster.

Hier bieden gemanipuleerde kwantummaterialen een uniek voordeel, zegt academisch onderzoeker Robert Droste, eerste auteur van een artikel dat op 22 augustus in het tijdschrift Science is gepubliceerd. Fysieke beoordelingsbrieven. Deze technische kwantummaterialen stellen onderzoekers in staat fenomenen te creëren die niet in natuurlijke verbindingen voorkomen, waardoor uiteindelijk de realisatie van exotische kwantumexcitatie mogelijk wordt.

“Deze materialen zijn erg complex. Ze geven je heel interessante natuurkunde, maar de meest exotische zijn ook erg moeilijk te vinden en te bestuderen. We proberen hier een andere aanpak te kiezen door een synthetisch materiaal te bouwen met behulp van individuele componenten.”

Elektronische interacties in kwantummaterialen

Kwantummaterialen ondergaan interacties tussen elektronen op microscopisch niveau. Deze elektronische correlaties leiden tot ongebruikelijke verschijnselen zoals supergeleiding bij hoge temperaturen of complexe magnetische toestanden, en kwantumcorrelaties leiden tot nieuwe elektronische toestanden.

Als er twee elektronen zijn, zijn er twee verstrengelde toestanden die bekend staan ​​als de enkele toestand en de drievoudige toestand. Het leveren van energie aan een elektronensysteem kan het van de enkele toestand naar de drievoudige toestand brengen. In sommige gevallen kan deze excitatie zich door een stof voortplanten in een verweven golf die bekend staat als triplon. Dergelijke excitaties bestaan ​​niet in conventionele magnetische materialen, en het meten ervan is nog steeds een open uitdaging in kwantummaterialen.

Triblon-ervaringen

In de nieuwe studie gebruikte het team kleine organische deeltjes om een ​​kunstmatig kwantummateriaal met ongebruikelijke magnetische eigenschappen te creëren. Elk van de kobaltftalocyaninemoleculen die in het experiment worden gebruikt, heeft twee grenselektronen.

‘Door gebruik te maken van heel eenvoudige moleculaire bouwstenen zijn we erin geslaagd deze complexe kwantummagneet te construeren en te onderzoeken op een manier die nog niet eerder is gedaan, waardoor fenomenen aan het licht komen die in zijn onafhankelijke delen niet bestaan’, zegt Drost. “Hoewel magnetische excitaties in geïsoleerde atomen al lang worden waargenomen met behulp van scanning tunneling spectroscopie, is dit nooit bereikt met behulp van diffuse tribolonen.”

“We gebruiken deze deeltjes om elektronen te groeperen, ze in een smalle ruimte te plaatsen en ze tot interactie te dwingen”, vervolgt Droste. “Als we zo’n molecuul van buitenaf bekijken, zien we de gecombineerde fysica van beide elektronen. En omdat onze basisbouwsteen nu twee elektronen heeft, in plaats van slechts één, zien we een heel ander soort fysica.

Het team observeerde magnetische excitaties eerst in individuele kobalt-ftalocyaninemoleculen, en later in grotere structuren zoals moleculaire ketens en eilanden. Door met het heel eenvoudige te beginnen en naar de complexiteit toe te werken, hopen onderzoekers het gedrag te begrijpen dat in kwantummaterialen naar voren komt. In de huidige studie kon het team aantonen dat enkele en drievoudige excitaties van hun bouwstenen moleculaire roosters kunnen doorkruisen als exotische magnetische quasideeltjes, bekend als triplonen.

“We hebben laten zien dat we exotische kwantummagnetische excitaties kunnen creëren in een kunstmatig materiaal. Deze strategie laat zien dat we op rationele wijze fysieke platforms kunnen ontwerpen die de mogelijkheden van nieuwe kwantumtechnologieën openen.

Het team is van plan hun aanpak uit te breiden naar complexere bouwstenen voor het ontwerpen van andere exotische magnetische excitaties en het bestellen van kwantummaterialen. Rationeel ontwerp op basis van eenvoudige componenten zal niet alleen helpen bij het begrijpen van de complexe fysica van onderling verbonden elektronensystemen, maar ook bij het creëren van nieuwe platforms voor kunstmatige kwantummaterialen.

Referentie: “Real space imaging of treblon-excitaties in geometrische kwantummagneten” door Robert Droste, Shaolino Kizilipiki, Jose L Lado en Peter Lilliroth, 22 augustus 2023, hier beschikbaar. Fysieke beoordelingsbrieven.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.086701