Revoluce v kvantové fyzice: Vědci poprvé změřili provázání uvnitř reálných materiálů

Vědci se dlouho zamýšleli nad tím, zda i běžné materiály drží pohromadě díky skrytým kvantovým spojením. Až dosud neexistoval způsob, jak tuto otázku zodpovědět. Nedávno však tým výzkumníků představil techniku, která dokáže přímo detekovat kvantové provázání uvnitř pevných látek.

Vědci se dlouho zamýšleli nad tím, zda i běžné materiály drží pohromadě díky skrytým kvantovým spojením. Až dosud neexistoval způsob, jak tuto otázku zodpovědět. Nedávno však tým výzkumníků představil techniku, která dokáže přímo detekovat kvantové provázání uvnitř pevných látek. Místo pouhého odhadování nebo spoléhání se na teorii mohou nyní vědci přímo měřit, jak moc je materiál provázaný – což je zásadní krok pro návrh lepších kvantových zařízení. Podle výzkumníků navíc jejich technika funguje i v případě, že neexistuje dokonalý teoretický model materiálu a vzorek není čistý, což je u reálných materiálů častý případ. „Zjistili jsme, že to funguje na 100 procent,“ uvedl Allen Scheie, jeden z výzkumníků a fyzik kondenzovaných látek z Los Alamos National Laboratory v Novém Mexiku.

Problémem, kterému vědci čelili, nebyl nedostatek teorie, ale nedostatek nástrojů. Tradiční metody, jako jsou Bellovy testy, mohou potvrdit provázání mezi několika částicemi, ale selhávají při práci s biliony interagujících částic uvnitř pevné látky. Materiály jsou složité, neuspořádané a často nedokonalé, což extrémně ztěžuje zjištění, zda je provázání přítomno, natož jeho měření. Výzkumníci se s tímto problémem vypořádali zdokonalením neutronového rozptylu, techniky, která se používá již od 50. let minulého století. Jednoduše řečeno, vystřelili neutrony na materiál a pozorovali, jak se tyto neutrony odrážejí. Rozptýlené neutrony nesou jemné „otisky“ toho, co se děje uvnitř materiálu – jak jsou uspořádány atomy a jak se chovají jejich kvantové vlastnosti. Skutečný průlom však nastal kombinací tohoto starého nástroje s novějším konceptem zvaným kvantová Fisherova informace (QFI). QFI je matematická veličina, která může fungovat jako „měřič provázání“. Místo snahy sledovat každou částici jednotlivě, QFI vědcům sdělí minimální počet částic, které musí být provázané, aby se vytvořil pozorovaný signál. Pečlivou analýzou neutronových dat mohl tým vypočítat QFI pro daný materiál a z toho odvodit, jak hluboce jsou jeho vnitřní částice provázané.

Aby ověřili, zda tento přístup skutečně funguje, studovali vědci dobře známé magnetické materiály, včetně krystalu složeného z draslíku, mědi a fluoru. Jelikož byl tento materiál již detailně simulován, mohli své experimentální výsledky porovnat s teoretickými předpověďmi. Srovnání vedlo k „pozoruhodně blízké shodě mezi experimentálními a teoretickými křivkami,“ uvedl Pontus Laurell, jeden z výzkumníků a odborný asistent na University of Missouri. Pokud se tato metoda osvědčí i u dalších systémů, mohla by zásadně změnit způsob, jakým vědci zkoumají kvantové materiály. Materiály s vysokým provázáním by se mohly stát základem budoucích kvantových počítačů nebo ultra bezpečných komunikačních sítí. Dalším vzrušujícím krokem bude studium toho, co se děje v blízkosti kvantového fázového přechodu – bodu, kdy materiál náhle změní svůj stav, podobně jako voda zamrzá v led, ale poháněno kvantovými efekty. V těchto kritických bodech teorie předpovídá, že provázání může výrazně vzrůst, ale modely často nedokážou popsat, co se skutečně děje. Vědci plánují měřit QFI v tomto režimu, kde by se mohl objevit skutečný objev. Studie byla nedávno prezentována na Global Physics Summit Americké fyzikální společnosti.