Kvarkadabrin fokus: Kvantni fazni prehod na XY spinski verigi

    V tokratni Kvarkadabrin fokus postavljamo širši publiki nekoliko težje prebavljiv, a vseeno izredno zanimiv rezultat slovenskih teoretičnih fizikov. Prof. Tomaž Prosen in podiplomski študent Iztok Pižorn sta namreč kot prva pokazala obstoj novega kvantnega faznega prehoda. Do tega odkritja sta prišla z obravnavo poenostavljenega teoretičnega modela, a njun rezultat lahko vodi v vrsto zanimivih novih odkritij in morda tudi aplikacij. Nekaj več o svojem odkritju nam je pojasnil prof. Tomaž Prosen.

    Kaj? (Referenca)
    “Quantum Phase Transition in a Far-from-Equilibrium Steady State of an XY Spin Chain”, Phys. Rev. Lett. 101, 105701 (2008)

    Kdo? (Avtorji)
    Tomaž Prosen in Iztok Pižorn, oba z Oddelka za fiziko FMF, Univerza v Ljubljani, skupina za nelinearno dinamiko in kvantni kaos

    Kje?(“slovenska”, “evropska” ali “svetovna” raziskava?)
    To je čisto domača raziskava. Financirana v okviru projektov in programa ARRS.

    Zakaj?(Kako bi izsledke razložili svoji babici, dedku, teti, stricu…?)
    Eno od osrednjih preostalih “težkih” vprašanj teoretične fizike je razumeti časovni razvoj sistemov, ki so sestavljeni iz velikega števila sestavnih delov, npr. elektronov v kovini, atomov, ionov ujetih v elektromagnetne pasti in podobno. Pomembno je, da so gradniki v teh sistemih med seboj močno sklopljeni. To na eni strani pomeni, da postanejo ti sistemi težavni za teoretično razumevanje, po drugi strani pa postanejo ravno zato zelo zanimivi in tipični. Imajo npr. “običajne” transportne lastnosti, kot je Ohmov zakon, ali pa se jih da uporabiti npr. za univerzalno (splošno) kvantno računanje – informacijsko tehnologijo prihodnosti.

    V objavljenem delu smo se lotili teoretičnega opisa tako imenovanih odprtih mnogodelčnih kvantnih sistemov. To pomeni, da smo upoštevali tudi sklopitev kvantnega sistema z okolico. Uporabili smo dobro utemeljen matematični približek, ki nam je dovolil, da nismo potrebovali točnega popisa okolice. Zadostovalo je tako npr.  poznati le temperaturo okolice. Osredotočili smo se na model nanoskopskega toplotnega prevodnika, ki ga je predstavljala verižica preprostih kvantnih vrtavk (spinov) – tako imenovana Heisenbergova XY spinska veriga. Na obeh koncih smo potem verižico sklopili z okolico pri različnih temperaturah. Takšen model nam je kot prvim sploh uspelo točno rešiti in s tem poiskati vse fizikalne lastnosti za omenjeno odprto Heisenbergovo XY spinsko verigo

    Rešitev je bila zelo presenetljiva: Izkazalo se je, da so fizikalne lastnosti verige zelo različne glede na jakost magnetnega polja v katerega jo potopimo. Pokazali smo, da neodvisno od temperatur toplotnih stikov in ob zadosti šibkem magnetnem polju pride do povsem nove vrste kvantnega faznega prehoda. Kvantne fazne prehode so recimo doslej poznali samo pri temperaturi absolutne ničle. Upamo, da bo naš rezultat sprožil tudi nova eksperimentalna iskanja, ki bi potrdila obstoj napovedane “nove fizike” v naravi.

    Kako? (Kje se je najbolj zatikalo?)
    Kot večina raziskav in odkritij v teoretični fiziki je bila tudi ta sad trenutnega navdiha in naključij. Nova matematična metoda je sicer že nekaj časa tlela v zraku, in v obrisih tudi v nekaterih naših starejših člankih. A ko je postalo jasno, da bi se jo dalo dejansko uporabiti za eksplicitno rešitev t.i. kvantne Liouvillove enačbe, je šlo vse zelo hitro. Najprej sem objavil daljši članek o abstraktni matematični metodi v reviji New Journal of Physics v začetku leta 2008, potem pa se je kolega Iztok Pižorn malo igral z metodo na Heisenbergovi XY verigi in čisto po naključju odkril nenavadno spremembo obnašanja glede na magnetno polje, oz. prej omenjeni fazni prehod. Čeprav sprva zelo presenečena, sva potem hitro (skoraj) vse razumela in objavila krajši članek v reviji Physical Review Letters.

    Kam?(Naslednja velika stvar na vašem področju?)
    Metoda obeta eksplicitne matematične rešitve še drugih, morda bolj (praktično) zanimivih  odprtih kvantnih sistemov.  To je trenutno na mizi. V mislih pa imamo tudi konkretno uporabo metode za načrtovanje oz. analizo učinkovitosti nanoskopskih kvantnih toplotnih strojev oz. hladilnikov. Npr. nekakšnih nano-napravic, ki bi hladile kvantne računalnike.

    Deli