Cercetătorii propun o metodă optică pentru localizarea anionilor, posibili piloni ai calculului cuantic
Fizicieni teoreticieni de la Universitatea Emory au dezvoltat o metodă prin care lumina ar putea fi folosită pentru a detecta „amprentele spectrale” ale anionilor, quasiparticule exotice care apar din comportamentul colectiv al multor electroni. Rezultatele sunt publicate în revista Physical Review Letters.
„Folosind o anumită frecvență a luminii, am dezvoltat un senzor care poate identifica locația unui anion într-un material”, a declarat Luiz Santos, profesor de fizică la Emory și autor senior al studiului. „Scopul ideal este să putem manipula anionii pentru a realiza calculul cuantic topologic”, a adăugat Tianhong Lu, primul autor al lucrării și doctorand în fizică la Emory. „Munca noastră teoretică reprezintă un pas în plus în această direcție.”
Un comportament care sfidează regulile obișnuite
Timp de aproape un secol s-a considerat că orice sarcină electrică din univers are aceeași magnitudine: protonii au o sarcină pozitivă întreagă, iar electronii o sarcină negativă întreagă. „Oamenii credeau că toate excitațiile de sarcină trebuie să poarte multipli de magnitudine – cu alte cuvinte, sarcinile nu puteau fi divizate în sarcini fracționare”, explică Santos. În anii 1980, însă, oamenii de știință au descoperit că, în sistemele bidimensionale, sarcinile electronilor se pot fracționa în quasiparticule care nu respectă regulile standard ale particulelor. Fenomenele au fost numite anioni datorită comportamentului lor de tip „orice este posibil”.
Una dintre aplicațiile potențiale interesante ale anionilor este crearea de qubiți, unitățile de informație necesare pentru calculul cuantic. O provocare majoră în dezvoltarea calculatoarelor cuantice este că cele mai mici perturbații – de la mișcarea moleculelor de aer sau radiația solară – produc haos la o asemenea scară minusculă. „Anionii se pot ascunde și pot evita perturbările din mediu”, spune Santos. „Asta îi face mai stabili decât materialele cuantice tipice.”
O „coregrafie cuantică”
Studierea anionilor este dificilă pentru că aceștia nu există ca particule fundamentale izolate, ci apar ca excitații colective ale electronilor. „Este o coregrafie cuantică”, spune Santos. „Electronii dansează, iar această mișcare creează unde care transportă anioni, sau o fracțiune din sarcini. Vă puteți imagina undele ca pe cele de la suprafața apei. În loc de molecule de apă, miliarde de electroni se mișcă împreună.”
Fizicienii au observat această „dansare” în laborator, aplicând un câmp magnetic puternic unui gaz bidimensional de electroni răcit la temperaturi ultrasează, ceea ce produce efectul Hall cuantic fracționar – un fluid cuantic cu excitații cu sarcină fracționară. Acum circa trei ani, cercetătorii au descoperit că pot obține efectul și fără un câmp magnetic puternic și în condiții mai puțin extreme. A rămas însă provocarea de a identifica locația exactă a anionilor.
Un model teoretic și o simulare
În anumite materiale semiconductoare ultra-subțiri, la nivel atomic, electronii se pot cupla cu goluri, formând excitoni – quasiparticule neutre care interacționează puternic cu lumina. Cercetătorii au prezis că, atunci când un exciton se apropie suficient de mult de un anion, se leagă de acesta formând un obiect compozit nou: o stare exciton-anion. Acest proces ar trebui să emită o deplasare detectabilă de energie.
Provocarea a început pe tabla neagră, unde fizicienii au căutat modalități de a modela sistemul propus pe calculator. „Poți simți un măr căzându-ți în cap, dar nu poți simți un anion”, spune Lu, adăugând că gândirea abstractă a fost partea cea mai dificilă și, totodată, cea mai recompensatoare a lucrării. „A trebuit să facem analize calitative pentru a identifica tendințele energiei de legare și ale entanglamentului cuantic implicat.”
După ce au creat modelul, au dezvoltat o simulare și au analizat rezultatele. „Este interesant să introduci ideile în calculator și să vezi că rezultatele se potrivesc cu predicția”, spune Lu. Cercetătorii speră că experimentatorii vor construi pe baza acestei lucrări, oferind confirmare în lumea reală a teoriei lor și apropiind calculul cuantic topologic de realitate.
