Imaging spin entanglement with a scanning tunneling microscope

In de microscopische wereld van de kwantummechanica gedragen deeltjes zich niet altijd als onafhankelijke individuen. Soms raken ze onlosmakelijk met elkaar verbonden, waarbij ze een enkel bestaan delen waarbij de toestand van de één de ander onmiddellijk beïnvloedt, ongeacht de afstand tussen hen. Dit fenomeen, bekend als verstrengeling, is de vreemde lijm die de meest complexe gedragingen van materie bij elkaar houdt. Decennia lang hebben wetenschappers gezocht naar manieren om deze onzichtbare verbinding te zien en te meten, met name in materialen die zijn ontworpen om de bouwstenen voor toekomstige kwantumcomputers te vormen. De uitdaging was dat verstrengeling een globale eigenschap is; het beschrijft de relatie tussen vele onderdelen van een systeem, terwijl de instrumenten die we gebruiken om naar materie te kijken vaak slechts één minuscuul puntje tegelijkertijd zien.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om deze kloof te overbruggen, door een standaard laboratoriuminstrument te transformeren tot een camera voor kwantumverbindingen. Ze richtten zich op kunstmatige ketens van magnetische atomen die op een oppervlak zijn gebouwd, waarbij de atomen met elkaar interageren als kleine magneten. Door gebruik te maken van een techniek genaamd inelastische elektronen-tunnel spectroscopie, waarbij elektronen via een scherpe metalen punt worden gestuurd om de energie van deze atomen te verkennen, ontdekten zij dat de achtergelaten energiesignaturen een verborgen code bevatten. Deze code onthult niet alleen hoe de atomen zijn gerangschikt, maar ook hoe diep ze verstrengeld zijn met hun buren. De onderzoekers toonden aan dat door de vorm en de hoogte van de energiesignalen op verschillende punten langs de keten zorgvuldig te analyseren, zij de sterkte van de kwantumverbinding tussen elk paar atomen konden in kaart brengen, waardoor een lokale meting effectief werd omgezet in een globaal beeld van verstrengeling.

Het verhaal begint met een eenvoudige observatie over hoe deze atomaire ketens reageren op energie. Wanneer een elektron van de punt naar de keten tunnelt, kan het een minuscule hoeveelheid energie overdragen aan de atomen, waardoor ze naar een hogere energietoestand springen. Deze sprong creëert een duidelijke stap in de elektrische stroom, een signaal dat wetenschappers al lang gebruiken om de soorten magnetische interacties te identificeren die aanwezig zijn. Echter, het nieuwe werk gaat veel verder. De onderzoekers realiseerden zich dat de totale omvang van deze stappen, wanneer deze over een reeks energieën wordt gemeten, een specifieke wiskundige waarde bevat die direct overeenkomt met de "one-tangle". Dit is een maatstaf voor de mate waarin een enkel atoom verstrengeld is met de rest van de keten. Als een atoom volledig onafhankelijk is, is deze waarde nul; als het maximaal verstrengeld is, bereikt de waarde zijn piek. Door de totale energiesteppen op elke locatie te meten, kon het team deze waarde berekenen en een kaart maken die precies laat zien waar de verstrengeling het sterkst is en waar deze vervaagt.

Om dit idee te testen, paste het team de methode toe op experimentele gegevens verzameld van echte ketens van nanographeen, een materiaal gemaakt van koolstofatomen die in specifieke patronen zijn gerangschikt. Deze ketens fungeren als een rij interagerende spins en gedragen zich volgens de regels van de kwantummagnetisme. De onderzoekers namen de ruwe elektrische gegevens van de microscoop en verwerkten deze om de energiemomenten te extraheren, wat in essentie gewogen gemiddelden van het signaal zijn. Ze ontdekten dat de resultaten met opmerkelijke precisie overeenkwamen met theoretische voorspellingen. In ketens van vier, zes en acht atomen slaagde de methode erin het ruimtelijke patroon van verstrengeling te reconstrueren. Het onthulde dat de sterkte van de binding tussen naburige atomen niet uniform was; in plaats daarvan oscilleerde het, waardoor een patroon van sterke en zwakke verbindingen ontstond dat overeenkwam met het verwachte gedrag van deze kwantumsystemen. Dit bevestigde dat de lokale probe inderdaad de niet-lokale verbindingen kon "zien" die de gehele keten binden.

De onderzoekers verkenden ook hoe deze techniek complexere vormen van verstrengeling kon onthullen die betrokken zijn bij drie atomen tegelijk. In een groep van drie interagerende spins is er een speciaal soort verbinding waarbij alle drie de atomen op een manier met elkaar verbonden zijn die niet kan worden afgebroken tot eenvoudige paren. Het team toonde aan dat de intensiteit van specifieke energietransities in het signaal gebruikt kon worden om deze drieledige verstrengeling te kwantificeren. Door te kijken naar het gecombineerde gewicht van de energiestappen, konden zij bepalen hoeveel van deze genuïne tripartite verstrengeling in het systeem aanwezig was. Dit is een belangrijke stap voorwaarts, aangezien het verder gaat dan eenvoudige paren om de meer ingewikkelde web van kwantumrelaties te visualiseren die noodzakelijk kunnen zijn voor geavanceerde kwantumcomputers.

Een cruciaal onderdeel van de ontdekking was het begrijpen van hoe een instrument dat slechts één atoom tegelijk aanraakt, mogelijk iets kan weten over de verbindingen tussen verre atomen. De onderzoekers verklaarden dit door een parallel te trekken met hoe een digitale kwantumcomputer werkt. In een kwantumcircuit kan een enkele operatie op één qubit een cascade van veranderingen door het hele systeem teweegbrengen omdat de qubits samen evolueren onder een gedeelde set regels. Similair aan dit proces, wanneer het elektron een atoom in de keten raakt, wordt de respons die het genereert gevormd door de collectieve dans van alle atomen in de keten. De energieniveaus en de sterkte van het signaal worden bepaod door de volledige geschiedenis van de interactie van het systeem. Daarom, hoewel de microscooppunt lokaal is, is de informatie die het verzamelt een reflectie van het geheel. Dit inzicht verzoent de lokale aard van de meting met de globale aard van de verstrengeling, en laat zien dat het lokale signaal een getrouwe verslaggever is van de collectieve toestand van het systeem.

De implicaties van dit werk zijn diepgaand voor het veld van kwantummaterialen. Het vestigt een nieuwe manier om verstrengeling te detecteren en te kwantificeren zonder het systeem te hoeven verstoren met complexe globale metingen. De methode werkt zelfs wanneer het systeem zich bij een eindige temperatuur bevindt, zolang de thermische energie laag genoeg is om de kwantumsignalen niet weg te spoelen. De onderzoekers hebben aangetoond dat men door simpelweg naar de energiestappen in de tunnelstroom te kijken, de interne energie van het systeem, de magnetische warmtecapaciteit en de specifieke sterkte van de bindingen tussen atomen kan extraheren. Dit transformeert een standaard spectroscopisch instrument tot een krachtige diagnostische tool voor kwantumcorrelaties.

Uiteindelijk presenteert het artikel een helder en praktisch pad vooruit voor het in beeld brengen van kwantumverstrengeling. Het laat zien dat de vreemde, onzichtbare banden tussen atomen niet alleen theoretische concepten zijn, maar meetbare fysieke grootheden die ruimtelijk in kaart kunnen worden gebracht. Door de lokale handeling van het tunnelen van een elektron te verbinden met de globale eigenschappen van de spin-keten, hebben de onderzoekers een nieuwe lens geboden waardoor de kwantumwereld bekeken kan worden. Deze aanpak stelt wetenschappers in staat om de architectuur van verstrengeling in ontworpen materialen te visualiseren, wat een directe manier biedt om de kwaliteit van kwantumtoestanden te verifiëren in systemen die zijn ontworpen voor toekomstige technologieën. Het werk bevestigt dat met de juiste analyse, de stille signalen van een scanning tunneling microscoop het luide verhaal van kwantumverbinding kunnen vertellen.