A Rutgers Egyetem kutatói négy éven át kísérleteztek annak az új struktúrának a létrehozásával, amelynek speciális tulajdonságai a kvantumszámítás és a kvantumszenzorok terén áttörést hozhatnak, hozzájárulva a kvantumtechnológia fejlődéséhez. A struktúra egy “kvantumszendvics”, aminek két oldala más-más anyagból épül fel: az egyik a diszprózium-titanát, a másik az úgynevezett piroklór-iridát, és mindkét anyagra jellemző, hogy egzotikusan viselkednek, azaz olyan különleges fizikai tulajdonságaik vannak, amelyek jelentősen eltérnek a megszokottól.

A diszprózium-titanát másik neve spin jég (Dy2Ti2O7), ami az anyag szerkezetére utal, ez a mágneses anyag ugyanis nanomágneseket (spineket) tartalmaz a rácsos szerkezetén belül, és elrendezésük miatt nagyon hasonlít a vízjég struktúrájára. A spin jég különleges jellemzője, hogy a spinek sajátos pozíciója révén kialakul benne a mágneses monopólus jelensége - ez egy olyan régóta keresett, de sokak által lehetetlennek vélt részecsketípus, ami csak egy mágneses pólust hordoz.

“A mágneses monopólus egy részecske, ami mágnesként viselkedik, de csak egy pólussal - vagy észak, vagy dél, de sohasem mindkettő.

Ez az objektum, amit a Nobel-díjas Paul Dirac jósolt meg 1931-ben, nem létezik szabad formában az univerzumban, és mégis, a spin jégben kialakul az anyagon belüli kvantuminterakciók eredményeként.” - magyarázza a Rutgers az anyaggal kapcsolatban.

A szendvics másik összetevője szintén egzotikus anyag: piroklór-iridát (Eu2Ir2O7), egy félfém, ami úgynevezett Weyl-fermionokat rejt magában. A Weyl-fermionok különös részecskék, nincs tömegük, fényként tudnak mozogni és kétféle spinnel (sajátperdülettel) rendelkeznek. A Weyl-félfémeket szokatlan sávszerkezet jellemzi, és amennyiben elektronikus eszközök részeként alkalmazzák őket, nagyon stabilak. A piroklór-iridát is kiemelkedően jól vezeti az elektromosságot, és rendhagyó módon reagál elektromágneses mező hatására.

“Mindkét anyagot gyakran ‘lehetetlen anyagnak’ tartják, azon különleges tulajdonságaik miatt, amelyek kihívást jelentenek a kvantumfizika hagyományos megközelítése tekintetében.”

- írja a Rutgers.

Ahhoz, hogy a két anyagból egy hibridet tudjanak formálni, a kutatóknak egy teljesen új, saját fejlesztésű berendezést kellett építenie, csak ebben tudták azokat a körülményeket létrehozni, amelyek a kombinált anyag elkészítéséhez szükségesek voltak. A Q-DiP elnevezésű eszközben lézerekkel “sütötték meg” a kvantumszendvicset, amelyet atomi szinten rétegről rétegre raktak össze. Az eredményként kapott anyag tulajdonságai ígéretes jelöltté teszik a hibridet bizonyos kvantumtechnológiai felhasználási körökben, például kvantumszenzorok gyártásában. A kutatók szerint az anyag specifikus elektromos és mágneses tulajdonságai segítenek azoknak a nagyon különleges és mégis stabil kvantumállapotoknak a kialakításában, amelyek alapvető fontosságúak a kvantumszámítás terén.

(Fotó: Jeff Arban/Rutgers, AMRULQAYS/Pixabay)