Na Institutu Jožef Stefan (IJS) izračunali kvantni biljard
V ugledni reviji Nature Communications je izšel članek z naslovom “Quantum billiards with correlated electrons confined in triangular transition metal dichalcogenide monolayer nanostructures created by laser quench – Kvantni biljardi s koreliranimi elektroni, zaprti v trikotne prehodne kovinske dihalkogenidne enoplastne nanostrukture”, katerega vsi avtorji prihajajo z Odseka za kompleksne snovi, Odseka za teoretično fiziko Instituta »Jožef Stefan«, Nanocentra in Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. V članku je raziskovalcem s pomočjo novega izvirnega eksperimenta uspelo opazovati kvantni biljard in tudi izračunati poti elektronov, s čimer so odprli pot k razumevanju kvantnega prenosa informacije.
Kvantni kaos je pomemben pojav, ki se pojavi v zelo majhnih elektronskih napravah anometrskih dimenzij. Ureja vedenje elektronov v računalniških čipih in trenutno preprečuje, da bi vezja postala manjša od nekaj nanometrov. Biljard pa je igra, kjer se klasične žoge odbijajo okoli mize, v robove in med seboj, njen cilj pa je nadzor žog v skladu s pravili. Raziskovalci Jan Ravnik, Yevhenii Vaskivskyi, Jaka Vodeb, Polona Aupič, Igor Vaskivskyi, Denis Golež, Yaroslav Gerasimenko in Viktor Kabanov pod vodstvom prof. dr. Dragana Mihailovića so se vprašali, kako bi izgledal kvantni biljard z več osnovnimi delci (elektroni), omejenimi v prostor, ki je dovolj majhen, da se lahko vidijo kvantni učinki. Pričakovali so, da bodo delci tvorili interferenčne vzorce, kot jih napoveduje Schroedingerjeva enačba. Vendar se stvari zapletejo, ko je prisotnih več elektronov v tako majhnem prostoru saj medsebojno delujejo in z atomi v okolici.
Za preučevanje kvantnega biljarda so raziskovalci morali izdelati izredno majhna vezja z atomskim obsegom. Uspeli so jih narediti z uporabo ultrakratkih laserskih impulzov v tantalnem disulfidu. Nato so poti elektronov preiskovali s posebnim tunelskim mikroskopom v ultra visokih vakuumskih pogojih pri nizkih temperaturah, kjer delujejo tudi kvantni računalniki. Izračun poti takšnega biljarda z veliko elektroni je izziv za klasične računalnike, vendar jim je kljub temu uspelo izračunati elektronske poti, ki jih lahko pričakujemo v eksperimentalno opaženih strukturah.
Raziskovalcem je uspelo opazovati obnašanje kvantnega biljarda v izdelanih enakostraničnih trikotnikih, majhnih le 2 nm na strani, kar ustreza le 5 ali 6 atomom. Pri tem jim je uspelo tudi opazovati pojav kvantnega kaosa.
Problem vedenja posameznega kvantnega delca v omejenem potencialu je sicer priljubljen problem matematikov in teoretičnih fizikov, ki preučujejo kvantni kaos, vendar do zdaj nikoli niso upoštevali več delcev hkrati. Objavljeno delo odpira pot k razumevanju kvantnega prenosa elektronov v izredno majhnih enoplastnih atomskih strukturah, ki temeljijo na kvantnih elektronskih materialih.
Video predstavitev: https://we.tl/t-BWwluGrC7O
Povezava do članka: https://rdcu.be/cmMyr
Foto: IJS
