Prepletena in delokalizirana staja mionov in jeder

Eden od osrednjih problemov v fiziki, kemiji in znanosti o materialih je, kako najti natančne ab initio opise lastnosti materialov, ki jih ultimativno sestavljajo kvantni elektroni in jedra, in kvantnih delcev, kot so mioni, s katerimi jih proučujemo. Slednji so proizvedeni v pospeševalnikih delcev, vneseni v material in uporabljeni kot edinstveno občutljive lokalne sonde magnetizma materiala v zelo zmogljivi eksperimentalni tehniki mionske spektroskopije (μSR), ki lahko razloči izjemno majhna notranja polja in njihovo dinamiko. Vendar pa je lahko interpretacije meritev μSR pogosto dvoumna zaradi neopisanih kvantnih pojavov mionov, kot so kvantna nedoločenost njihovih položajev, kvantna prepletenost s položaji ali spini okoliških jeder in dogodki kvantnega tuneliranja. Ker je μSR ena redkih tehnik, ki jo lahko uporabimo za proučevanje spinske dinamike v naprednih kvantnih in topoloških materialih, od superprevodnikov in kvantnih spinskih tekočin (QSL; materiali v nekonvencionalnem, močno prepletenem in dinamičnem spinskem stanju s predlagano uporabo za robustno topološko kvantno računalništvo) do materialov, ki gostijo skirmione (vrtince v magnetizaciji, ki jih pred razpletanjem ščiti njihova netrivialna topologija), je razumevanja kvantnih pojavov mionov ključno. Podobno vemo, da kvantna nedoločenost položajev in tuneliranje lahkih jeder, kar sta pojava, ki običajno manjkata v ab initio opisih jeder, močno vplivata na strukturo in dinamiko pomembnih razredov materialov, vključno z materiali za shranjevanje vodika, materiali z Li ioni in hidridnimi superprevodniki z rekordno visokimi temperaturami prehoda. Zmogljive numerične metode, kot na primer teorija gostotnih funkcionalov (density functional theory, DFT) so se izkazale za izjemno uspešne pri opisu kvantnega obnašanja elektronov na računsko učinkovit način, kar je omogočilo širok spekter aplikacij, od razumevanja in napovedi lastnosti materialov do ab initio dizajniranja novih materialov. Po drugi strani pa so natančni, a računsko izvedljivi, opisi kvantnega obnašanja mionov in (lahkih) jeder v materialih večinoma ostali izmuzljivi. Njihove kvantne pojave se tako pogosto neupravičeno zanemari in se jih namesto tega opiše kot klasične, točkaste delce. Vendarle pa so v sodobnih ab initio izračunih manjkajoči kvantni pojavi jeder pogosto glaven vir nenatančnosti, to je razhajanja med napovedmi računov in eksperimenti. Kvantni pojavi mionov so še bolj izraziti, saj so mioni približno devetkrat lažji od najlažjega jedra — osamljenega protona — zaradi česar jih je še težje opisati. Napredek pri ab initio opisu mionov in jeder je tako ključen za napredek na področjih fizike in kemije kondenzirane snovi. Ta projekt bo razvil potrebna teoretična orodja in numerične metode za učinkovit opis kvantnih pojavov mionov in lahkih jeder ter jih uporabil za proučevanje tako: (i) paradigmatičnih materialov, kjer mioni in jedra še posebej jasno kažejo določene tipe kvantne obnašanja, kot tudi (ii) QSL materialov z zanimivo kvantno dinamiko spinov in nečistoč, kjer so kvantni pojavi mionov ključni za pravilno interpretacijo rezultatov meritev μSR. Naš pristop bo osnovan na naši nedavni prebojni študiji mionov, vnesenih v trdni dušik, v kateri smo prvič uspeli identificirati ključne parametre prepletenosti in anharmoničnosti, ki določajo kvantni režim obnašanja miona v materialu. To inovativno študijo bomo razširili do praktičnega pristopa za opis kvantnih pojavov poljubnih lahkih delcev (mionov ali jeder) v mreži težjih jeder. Ta projekt bo tako odklenil poln potencial zelo zmogljive tehnike μSR za proučevanje naprednih materialov in končno omogočil zanesljive ab initio napovedi in razumevanje ključnih kvantnih pojavov mionov in jeder v širokem naboru kvantnih materialov.