量子物理がフラストレーションを得るとき
日常の言語では、フラストレーションは望ましい結果を達成できないことを説明しています。凝縮物質物理学では、フラストレーションはより具体的でより興味深いものを説明しています。粒子間の競合する相互作用が、単一の配置がそれらすべてを同時に満たすことを防ぐ状況です。フラストレートされた量子システムは単純な秩序状態に緩和することができず、その結果は非常に複雑な物理であり、新しい研究が示すように、通常のアナログを持たない量子状態を含みます。
研究者は、材料内の原子が幾何学的にフラストレートされるときに出現する新しい量子状態を発見しました。格子構造は隣接する原子が同時にすべての量子機械相互作用の好みを満たすことを妨げます。Science Dailyに記載されている発見は、量子秩序の形式を明らかにしており、これは物質の見慣れた相——固体、液体、ガス、そして超伝導体と超流体のような量子相からは根本的に異なっており、これらは物理学者が過去一世紀にわたってカタログ化したものです。
この発見は、量子材料がクラシカルな直感が示唆するよりもはるかに豊かな種類の状態を宿しているという成長する理解に加わります。三角形の格子上のアンチフェロマグネットのような古典的なフラストレートされたシステムが特定の退化した構成を生成する一方で、量子的にフラストレートされたシステムは、量子機械的叠加ともつれが古典的な対応物を持たない集団的行動を生成する相に入ることができます——これらの相は従来の意味での対称性の破れによって定義されるのではなく、材料全体に拡がる量子もつれのパターンによって定義されます。
量子フラストレーションとは？
フラストレーションがなぜ新しい物理を生成するのかを理解するために、単純な例を考えてください。三角形の角の3つの磁石を配置し、隣接する磁石が反対方向を指すことを好む相互作用を行います。3つ中2つを同時に満たすことができますが、2つを満たすと3番目を満たすことは不可能になります。3番目の磁石がどの方向を指しても、少なくとも1つの隣人と競合します。システムはフラストレートされています——すべての相互作用を満たす最小エネルギー状態を達成することはできません。
量子力学では、フラストレートされたシステムはこのジレンマを古典的なシステムと異なる方法で処理します。エネルギー的に退化した古典的な構成の1つを選択して動けなくなるのではなく、量子的にフラストレートされたシステムは多くの構成の重ね合わせに存在することができます。結果は古典的なアナログを持たない量子状態です——複数のフラストレートされた配置を同時に探索しているシステムで、材料の異なる部分間の相関は古典的な秩序ではなく量子もつれにエンコードされています。
これらの量子スピン液体状態は、フラストレートされた実体が磁気モーメントである場合に通常と呼ばれており、異国風で生成して特性化するのが難しいです。それらは、彼らが表す基本的な物理学にとってだけでなく、潜在的な実用的なアプリケーションにも興味があります——量子スピン液体はトポロジカル量子コンピューティングの候補プラットフォームであり、量子情報は従来の量子ビットを破壊するローカルノイズに耐性のある非局所的なもつれパターンに格納されます。
研究者が発見したこと
新しい研究は、慎重に設計された原子相互作用がすでに実験的に研究されていない幾何学でフラストレーションを生成する材料に出現する特定の量子状態を特定しました。中性子散乱（原子スケールでの磁気順序パターンに敏感）と高度な理論モデリングの組み合わせを使用して、チームはフラストレートされた原子の集団量子状態を特性化し、以前に知られている量子相と矛盾する特性を見つけました。
この状態は新しいタイプの量子液体のように見えます——非常に低い温度でも量子変動が強い相であり、システムが秩序立った構成に凍結するのを防ぎます。これを以前に知られている量子スピン液体と区別するのは励起の性質です。平衡から材料を通して金種とエネルギーを輸送する基本的な乱れは、研究者が以前に実際の材料では観察されていなかったトポロジカル秩序のタイプの理論的予測と一致していると説明する異常な特性があります。
材料の生成には、フラストレーションがシステムの動作を支配するために必要な特定の幾何学を達成するために、原子組成と結晶成長の正確な制御が必要でした。チームが開発した合成経路は、調整可能なフラストレーションパラメータを備えた類似の材料を生成するテンプレートを提供し、競合する相互作用間のバランスが変わるにつれて量子状態がどのように進化するかを系統的に探索できるようになります——新しい段階の完全な理論的理解を構築するために不可欠な能力。
潜在的なアプリケーション
フラストレートされた量子材料の実用的なアプリケーションは、仮説的ですが科学的に根拠のあるままです。トポロジカル秩序を持つ量子スピン液体は、理論的には、トポロジカル状態の性質によってコヒーレンスから本質的に保護された形式で量子情報を輸送する準粒子である任意を宿すことができます。これらの保護された状態に基づくトポロジカル量子コンピューティングは、従来の量子状態の脆弱性を補うための精巧なエラー訂正を必要とする現在のキュービットプラットフォームよりもはるかに堅牢になります。
したがって、トポロジカル秩序と一致する特性を持つ新しい量子相の発見は、実用的なトポロジカル量子コンピュータを構築する長期プロジェクトにおいて重要なマイルストーンですが、そのような技術の商業展開は今後多くの年を残します。トポロジカルに秩序立った材料の各新しい実現は、理論的予測をテストし、最終的なデバイス製造に必要な材料制御を開発するために利用可能な実験ツールキットに追加されます。
量子コンピューティング以上に、フラストレートされた量子材料は量子センシング内のアプリケーションを見つける可能性があります——量子機械的特性を使用して古典的なセンサーが達成できる精度を超えた物理量を測定するデバイス。フラストレートされた量子システムの小さな摂動への感度は、相境界の近くに存在する傾向を反映し、磁場検出、重力測定、または他の精密測定アプリケーションで弱い信号を検出するために利用される可能性があります。
量子物理に対するより広い意味
新しい量子相の発見は、自然が理論的なフレームワークが最初に包含するより奇妙でより豊かであることを発見する凝縮物質物理学の伝統を継続しています。フィールドの歴史は発見で点在しています——超伝導性、量子ホール効果、トポロジカル絶縁体——説明するために新しい理論的構造が必要な完全に新しいカテゴリの量子動作を明かしました。そのような各発見は最終的に技術的なアプリケーションとより深い理論的理解の両方を生成しました。
新しいフラストレートされた量子状態は、研究者がここ数年の間にしか特定して研究することができなかった異国的な量子相の成長するカタログに追加されます。材料合成、測定技術、理論的ツールの改善により、量子物理の以前にアクセスできなかった制度が開かれています。新しい量子現象が発見されている速度は、量子物質の地図がまだ描かれていること、そして確実に新しい物理学の実質的な地域は、実験室で合成および研究できる材料でまだ探索する必要があることを示唆しています。
この記事はScience Dailyのレポートに基づいています。元の記事を読む。
Originally published on sciencedaily.com