Наука

Newswise — Для работы квантовых компьютеров, квантовых сетей и квантовой передачи информации (квантовой телепортации) частицы должны быть синхронизированы в пространстве и времени. В молибдате никеля (Ni₂Мо₃О₈), ионы никеля (Ni²⁺) образуют треугольный массив тетраэдров и октаэдров. Каждый Ни²⁺ ион имеет магнитный спин (сродни стрелке компаса). Спины в тетраэдрах имеют тенденцию быть направлены противоположно спинам в октаэдрах, поэтому в ионах нет чистой магнитной силы и направления (или момента). Однако электрические поля в Ni₂Мо₃О₈ вызвать параллельное выравнивание спинов. Это соответствие меняется со временем. Флуктуирующие моменты называются спиновыми экситонами. Результат — Ни₂Мо₃О_8, не должен быть магнитным, но экситоны делают его таким.

Влияние

Выравнивание спинов синхронизирует частицы. Это обеспечивает квантовую запутанность, которая делает возможной квантовую информатику. Этот эксперимент устанавливает новые способы достижения спиновой запутанности (синхронности или когерентности), используя конкуренцию между электрическими полями в кристалле, спиновую связь между соседними ионами и предпочтение спинам указывать определенные направления. Спиновые экситоны, возникающие в результате случайного выравнивания спинов, образуют когерентные волны. Если эти когерентные волны спиновых экситонов контролировать, их можно будет использовать в будущих приложениях квантовой механики. Приложения потенциально включают квантовые вычисления при комнатной температуре.

Краткое содержание

Физики использовали сочетание синтеза материалов, рассеяния нейтронов, магнитометрии, калориметрии и теории, чтобы определить происхождение когерентных волн спиновых экситонов в молибдате никеля ( Ni₂Мо₃О₈). В²⁺ ионы в материале образуют треугольную решетку из комбинации двух кристаллических окружений, ограниченных октаэдрическим или тетраэдрическим расположением атомов кислорода. Исследователи использовали рассеяние нейтронов, чтобы получить зависимость спиновых возбуждений от импульса и энергии в зависимости от магнитного поля и температуры. Электрические поля кристалла были слабыми для октаэдрических и сильными для тетраэдрических позиций, индуцируя спиновые экситоны в обоих окружениях. Слабые возбуждения спиновых синглетов обнаруживают антиферромагнитный порядок. Возбуждения с более высокой энергией обнаруживают зависимость возбуждения от импульса, что предполагает когерентность спин-экситонной волны. Эти спиновые экситоны связаны с тетраэдрически координированным узлом.

Расчеты показывают, что молибдат никеля уникален среди материалов тем, что сочетание напряженности кристаллического электрического поля, силы спиновой связи внутри и поперек тетраэдров и октаэдров, а также направленности спинов делает возможной квантовую фазу спиновых экситонов. Примечательно, что квантовая фаза сохраняется до температур, значительно превышающих низкотемпературную антиферромагнитную фазу, как это наблюдается с помощью нейтронного рассеяния, магнитометрии и калориметрии.

Финансирование

Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики (DOE), программой фундаментальных энергетических наук, Фондом Роберта А. Уэлча, программой Национального научного фонда по теории конденсированных сред и материалов, а также Министерством науки и технологий Тайваня. В части этого исследования использовались ресурсы источника нейтронов расщепления, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США, которым управляет Национальная лаборатория Ок-Риджа, а также источника нейтронов и мюонов ISIS.