Nobelistin ennustama uudenlainen kvanttispinneste valmistettiin ensimmäistä kertaa

Saavutus on merkittävä askel kohti niin kutsuttujen topologisten kvanttitietokoneiden rakentamista.
Kupari-ionien magneettisesti järjestäytynyt neliörakenne. Rakennetta räätälöimällä saatiin muodostettua kvanttispinneste. Vastaavaa rakennetta toisin muokkaamalla luodaan korkean lämpötilan suprajohteita. Kuva: Otto Mustonen

Fysiikan nobelisti Paul W. Anderson esitti vuonna 1987 korkean lämpötilan suprajohtavuuden eli sähkövastuksen katoamisen liittyvän eksoottiseen kvanttitilaan, jota nykyään kutsutaan kvanttispinnesteeksi. Magneettiset materiaalit koostuvat hyvin pienistä magneeteista, pienimmillään yksittäisistä elektroneista, ja niiden voimakkuutta ja suuntaa kuvaa magneettinen momentti. Kvanttispinnesteissä magneettiset momentit käyttäytyvät nesteen tavoin eivätkä jähmety tai järjestäydy edes absoluuttisessa nollapisteessä. Näitä kvanttitiloja tutkitaan lupaavina materiaaleina uudenlaisiin niin kutsuttuihin topologisiin kvanttitietokoneisiin, joiden toiminta perustuu hiukkasmaisiin viritystiloihin, joita on kvanttispinnesteissä. Topologisen kvanttitietokoneen erityispiirteenä on suuren laskentatehon lisäksi korkea virheensietokyky, joka mahdollistaa tietokoneen koon kasvattamisen. Topologisiin kvanttitietokoneisiin soveltuvia kvanttispinnesteitä tunnetaan kuitenkin vain muutamia.

Aallossa kehitetty tapa muokata materiaalien magnetismia mahdollisti uuden kvanttispinnesteen valmistamisen

Nyt Aalto-yliopiston, Brazilian Center for Research in Physicsin (CBPF), Braunschweigin teknillisen yliopiston ja Nagoyan yliopiston tutkijat ovat valmistaneet ensimmäistä kertaa Andersonin ennustaman suprajohteenkaltaisen kvanttispinnesteen. Tämä on tärkeä askel suprajohteiden ja kvanttimateriaalien ymmärtämisessä. Kvanttispinnesteen valmistamisen mahdollisti Aallon kemistien kehittämä uusi tapa räätälöidä magneettisten materiaalien ominaisuuksia. Tutkimuksen tulokset on julkaistu Nature Communications -julkaisussa.

Korkean lämpötilan suprajohteet ovat kuparioksideja, joissa kupari-ionit muodostavat neliörakenteen siten, että vierekkäiset magneettiset momentit osoittavat vastakkaisiin suuntiin.  Kun tätä rakennetta häiritään muuttamalla kuparin hapetusastetta, materiaali muuttuu suprajohtavaksi. Nyt julkaistussa uudessa tutkimuksessa tällaisen neliörakenteen magneettisia vuorovaikutuksia muokattiin d10 ja d0 elektronirakenteen ioneilla, jolloin materiaali muuttui kvanttispinnesteeksi. 

”Tätä uutta d10/d0 -menetelmää voidaan jatkossa hyödyntää monissa muissakin magneettisissa materiaaleissa mukaan lukien erilaiset kvanttimateriaalit”, visioi Aalto-yliopiston tohtorikoulutettava Otto Mustonen.

Saumatonta yhteistyötä

Kvanttispinnesteiden kokeellinen havaitseminen on hankalaa ja vaatii mittavaa tutkimusinfrastruktuuria.

”Hyödynsimme tutkimuksessa muon spin -spektroskopiaa, joka perustuu hyvin lyhytikäisten elektroninkaltaisten alkeishiukkasten eli myonien vuorovaikutukseen tutkittavan materiaalin kanssa. Menetelmällä voidaan havaita kvanttimateriaalien erittäin heikkoja magneettikenttiä”, kertoo Braunschweigin teknillisen yliopiston professori F. Jochen Litterst. Mittaukset suoritettiin Paul Scherrer Instituutissa Sveitsissä.

Tutkimuksessa käytetty muon spin -spektrometri Paul Scherrer Instituutissa Sveitsissä. Tutkittava näyte asetetaan keskellä sijaitsevaan kryostaattiin, ja myonisuihku ohjataan siihen takavasemmalta. Kuva: Otto Mustonen

”Huippuoluokan tutkimuslaitteiden lisäksi tutkimus vaatii myös kemistien ja fyysikoiden välistä saumatonta yhteistyötä”, painottaa Aalto-professori Maarit Karppinen. ”Samanlaista kansainvälistä monitieteistä lähestymistapaa tarvitaan jatkossakin, jotta nyt vauhtia saanut kvanttispinnesteiden tutkimus johtaisi meidät topologisen kvanttitietokoneen jäljille.”

Lisätietoja:

Otto Mustonen
[email protected]

Aalto-professori Maarit Karppinen
[email protected]
p. 050 384 1726

Artikkeli:

O. Mustonen, S. Vasala, E. Sadrollahi, K. P. Schmidt, C. Baines, H. C. Walker, I. Terasaki, F. J. Litterst, E. Baggio-Saitovitch & M. Karppinen, Spin-liquid-like state in a spin-1/2 square-lattice antiferromagnet perovskite induced by d10–d0 cation mixing, Nature Communications volume 9, Article number: 1085 (2018)

DOI:10.1038/s41467-018-03435-1
http://www.nature.com/articles/s41467-018-03435-1

 

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Infografiikka tietotekniikan sijoituksesta 56:nneksi maailmassa.
Tutkimus ja taide, Yliopisto Julkaistu:

Tietotekniikan ala loikkasi sijalle 56 Times Higher Educationin rankingissa

Insinööritieteiden ja teknologian ala oli sijalla 101–125 maailmassa.
The picture shows Professor Ray Ball giving a keynote speech at the seminar organized at the School of Business.
Yhteistyö, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Kaikki hyötyvät yritysten tilinpäätösraportoinnista

Tekoäly, tasapainoilu globaalien ja paikallisten kysymysten välillä sekä sosiaalisten ja ympäristökysymysten entistä vahvempi painottaminen asettavat haasteita tulevaisuuden tilintarkastajille.
Photo: Mikko Raskinen.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Kvanttiteknologian kansainvälinen kärki kokoontuu perjantaina 18. lokakuuta Otaniemeen

Kvanttiteknologian paneelissa kohtaavat muun muassa molekyylejä hyödyntävän tietokoneen kehittäjä Kenji Ohmori ja Valkoisen talon kvantti-informaatiotieteen apulaisjohtaja Jake Taylor.
Professor Ray Sterling
Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Professori Ray Sterling: Worldwide developments in urban underground planning

Katso tallenne Professori Sterlingin vierailuluennosta.