Průlom v kvantové fyzice: Vědci ovládli spin vodíku suchým ledem, otevírají cestu k levnějším kvantovým technologiím

Vědci z University of Maryland dosáhli významného průlomu v kvantové fyzice, když úspěšně demonstrovali kontrolu jaderného spinu molekuly vodíku (H2) pomocí suchého ledu.

Vědci z University of Maryland dosáhli významného průlomu v kvantové fyzice, když úspěšně demonstrovali kontrolu jaderného spinu molekuly vodíku (H2) pomocí suchého ledu. Tato jednoduchá metoda ovládání kvantového stavu materiálu otevírá dveře k mnoha novým aplikacím, od měření teplot komet ve vesmíru až po nové přístupy ke kvantovému počítání na Zemi.

Kvantové aplikace představují další hranici technologie, umožňující vědcům využít „záhadné chování“ materiálů k provádění složitých výpočtů a měření, která byla dříve nemožná. Dosud se však vědci spoléhali na extrémně nízké teploty blížící se absolutní nule. Tato metoda je nejen nákladná, ale také omezuje potenciální počet aplikací mimo laboratorní prostředí. Chemici a fyzici z University of Maryland nyní objevili, jak ovládat kvantové stavy pouze s použitím suchého ledu. Suchý led, který vzniká chlazením oxidu uhličitého za standardního atmosférického tlaku na relativně vyšší teploty kolem -75 stupňů Celsia, je široce dostupný a levný.

Jaderný spin atomu popisuje jeho úhlový moment. Molekulární vodík, neboli molekula H2, existuje ve dvou stavech: para-H2, kde se jaderné spiny obou atomů vodíku navzájem ruší, a ortho-H2. Vědci z Marylandu zjistili, že zmrazení molekuly ortho-H2 v suchém ledu zabraňuje její přeměně do nízkoenergetického stavu pro dva ze tří podstavů ortho-H2. „Velkým zjištěním je, že v závislosti na typu ledu, do kterého molekulu H2 umístíme, je její kvantová dynamika zcela závislá na okolním prostředí,“ vysvětlil Nathan McLane, postgraduální student fyziky zapojený do práce. Podle McLanea geometrie suchého ledu ukládá molekulám H2 soubor pravidel, která brání jejich přechodu do nízkoenergetického stavu. Zajímavé je, že přidání oxidu dusičitého do krystalové mřížky suchého ledu tato pravidla uvolňuje a umožňuje všem třem molekulám ortho-H2 přeměnit se do jejich nízkoenergetického stavu.

Dříve vědci k ovládání jaderných spinů atomů používali silná magnetická pole a chemické katalyzátory. S použitím suchého ledu by to mohlo být mnohem snazší. Tento objev by mohl pomoci výzkumníkům chránit kvantové stavy materiálů, což by vedlo ke stabilnějším formám kvantové paměti. Ačkoli budoucí kvantové počítače pravděpodobně nebudou potřebovat pouze molekuly vodíku a suchý led, tento výzkum pomáhá stanovit základní pravidla pro ochranu kvantových stavů. Mezi další aplikace patří naděje vědců, že měření poměrů ortho- a para-vody uvolňované z komet by mohlo pomoci odhadnout teploty, při kterých se tyto komety formovaly. Vesmírné agentury, jako je NASA, používají určité vzorce k určení, jak se jaderné spiny mění v kometách. Některé z těchto výpočtů se opírají o neověřené předpoklady. Vědci doufají, že jejich výzkum tyto předpoklady v laboratoři buď vyvrátí, nebo potvrdí. Výzkum také pomůže stabilněji a efektivněji skladovat vodíkové palivo, neboť uvolňuje teplo při změně stavu z ortho na para, a toto teplo je třeba efektivně řídit z bezpečnostních důvodů. Zjištění výzkumu byla publikována v časopise Physical Review Letters.