Forscher haben möglicherweise eine nie zuvor entdeckte Eigenschaft von Quantenmaterie geknackt. Ein Team vom Institut für Quantenmaterie der Johns Hopkins University hat bewiesen, dass bestimmte Quantenmaterialien elektrische Dipolschwankungen nachweisen können.
Diese einzigartigen Bewegungen sind unregelmäßige Schwingungen winziger geladener Pole auf dem Material. Die Forscher stellten fest, dass diese Schwingungen bei extrem kalten Temperaturen auftreten - ungefähr minus 450 Grad Fahrenheit oder weniger.
Diese spezielle Bewegung ist seit langem theoretisiert, aber bis jetzt bewiesen. Das fragliche Material wurde vor über zwei Jahrzehnten erstellt und heißt k- BEDT-TTF 2Hg SCN 2 Br. Das Material stammt aus organischen Verbindungen, verhält sich jedoch sehr ähnlich wie ein Metall.
"Was wir bei diesem speziellen Quantenmaterial festgestellt haben, ist, dass selbst bei extrem kalten Temperaturen elektrische Dipole vorhanden sind und gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik schwanken", sagte die Physikerin Natalia Drichko. Drichko ist außerordentliche Forschungsprofessorin inPhysik an der Johns Hopkins University.
Drichko erklärte, warum diese besondere Entdeckung wichtig war.
"Normalerweise betrachten wir die Quantenmechanik als eine Theorie kleiner Dinge wie Atome, aber hier beobachten wir, dass sich der gesamte Kristall quantenmechanisch verhält", sagte Drichko, leitender Autor eines in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels über die Forschung Wissenschaft .
Traditionelle Physik und das Verständnis der molekularen Bewegung stellen fest, dass sich die molekulare Bewegung beim Einfrieren von Objekten bis zum Stillstand verlangsamt. In der Quantenphysik bleibt die Bewegung jedoch auch bei den kältesten Temperaturen bestehen, erklärte Drichko. "Das ist einer der Hauptunterschiede zwischen klassischer und Quantenphysik, die Physiker der kondensierten Materie erforschen", sagte sie.
Elektrische Dipole sind gleiche, aber entgegengesetzt geladene Pole, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind. In molekularen Studien gibt es drei Arten von Dipolen. Erstens gibt es permanente Dipole, zwei Atome in einem Molekül mit stark unterschiedlicher Elektronegativität.
In einem permanenten Dipol zieht ein Atom Elektronen mehr an als ein anderes, wodurch eines wesentlich negativer und das andere positiver wird. Diese werden auch als polare Moleküle bezeichnet. Die zweite Art von Dipol sind Momentan-Dipole, die zufällig bei Elektronen auftretensind stärker in einem Bereich eines Moleküls konzentriert.
Dies erzeugt einen temporären Dipol. Der letzte Typ sind induzierte Dipole, die auftreten, wenn ein Molekül die Elektronen eines anderen abstößt und ein Dipolmoment in diesem Molekül auslöst. Die von Physikern untersuchten Dipole sind die gleichen Typen, mit denen Haare durch statische Elektrizität vorübergehend an einem Kamm haften können. Dipole bilden sich am Rand eines Kamms und ziehen das Haar an.
Drichkos Team nutzte das Raman-Spektroskopielabor, um die Quantenmaterie bei den niedrigen Temperaturen zu erhalten, die zur Beobachtung der theoretisierten Aktivität erforderlich sind. Die Schlüsselarbeit im Labor wurde von der Doktorandin Nora Hassan durchgeführt.
Im Labor konzentrierten Hassan und ihre Kollegen Licht auf einen Kristall des Materials. Die Teams nutzten andere Techniken aus Chemie und Biologie, um diese Dipolschwankungen zu untersuchen.
Das Johns Hopkins-Team baute auch ein spezielles Spektrometer, eine Maschine, die 100-mal leistungsstärker als herkömmliche Laborspektrometer ist. Die Forschung könnte bei der Entwicklung von Quantencomputersystemen und bei der Entwicklung von Quantensystemen verwendet werden, die selbst bei extremen Temperaturen effizient arbeiten können.