Ученые наблюдают экзотическую квантовую фазу, которая раньше считалась невозможной

0 0

Явление, известное как сверхрадиационный фазовый переход (SRPT), возникает, когда две группы квантовых частиц начинают координированно, коллективно колебаться без какого-либо внешнего воздействия, образуя новое состояние материи.

Группа ученых из Университета Райса сообщила о первом прямом наблюдении удивительного квантового явления, предсказанного более полувека назад, что открывает возможности для революционных применений в квантовых вычислениях, коммуникации и сенсорах. Открытие было сделано в кристалле, состоящем из эрбия, железа и кислорода, который был охлажден до минус 457 градусов по Фаренгейту и подвергнут воздействию мощного магнитного поля силой до 7 тесла (более чем в 100 000 раз сильнее магнитного поля Земли). Соответствующее исследование опубликовано в журнале "Достижения науки".

Изначально SRPT рассматривалась как возникающая в результате взаимодействия между квантовыми флуктуациями вакуума —квантовыми световымиполями, естественным образом существующими даже в полностью пустом пространстве, — и флуктуациями материи.

Дасом Ким, аспирант Райсского университета по программе "Прикладная физика", ведущий автор исследования

Эксперт указал, что в нацчной работе специалисты осуществили этот переход, соединив две отдельные магнитные подсистемы — спиновые колебания ионов железа и ионов эрбия внутри кристалла. Спин описывает магнитные полюса электронов или других частиц и может быть представлен в виде крошечной стрелки, прикреплённой к каждой частице, которая постоянно вращается и указывает в определённом направлении. Когда спины выстраиваются в ряд, они создают магнитные узоры в материале. Когда узор из спинов распространяется по материалу подобно волне, возникающее коллективное возбуждение называется магноном.

До сих пор вопрос о том, может ли SRPT действительно существовать, был предметом споров, поскольку он противоречит ограничению, называемому "теоремой о невозможности" в теоретической физике, возникающему в системах на основе света. Создав SRPT в магнитном кристалле на основе взаимодействия между двумя спиновыми подсистемами, исследователи смогли обойти этот барьер, создав магноническую версию этого явления.

В частности, магноны ионов железа играют роль, традиционно приписываемую флуктуациям вакуума, а спины ионов эрбия представляют собой флуктуации материи. Используя передовые методы спектроскопии, исследователи наблюдали безошибочные признаки SRPT: энергетический сигнал одного спинового режима исчезал, а другой демонстрировал явное смещение или излом. Эти спектральные "отпечатки" в точности соответствуют тому, что предсказывает теория для перехода в сверхизлучательную фазу, что даёт команде высокую уверенность в том, что они действительно создали долгожданное состояние.

Мы установили сверхсильную связь между этими двумя спиновыми системами и успешно наблюдали SRPT, преодолев предыдущие экспериментальные ограничения.

Дасом Ким, аспирант Райсского университета по программе "Прикладная физика", ведущий автор исследования.

Исследователи взволнованы не только потому, что предсказание физики 50-летней давности подтвердилось, но и из-за того, что это может означать для квантовых технологий. Коллективные квантовые состояния в SRPT обладают уникальными свойствами, которые можно использовать для квантовых технологий следующего поколения.

Близко к квантовой критической точке этого перехода система естественным образом стабилизирует квантово-сжатые состояния, в которых квантовый шум значительно снижается, что значительно повышает точность измерений. В целом, это открытие может произвести революцию в квантовых датчиках и вычислительных технологиях, значительно повысив их точность, чувствительность и производительность.

Дасом Ким, аспирант Райсского университета по программе "Прикладная физика", ведущий автор исследования

Сохаил Дасгупта, аспирант Райского университета, работавший с Каденом Хаззардом, доцентом кафедры физики и астрономии, теоретически смоделировал SRPT, опираясь на модель, разработанную их коллегой и соавтором Мотоаки Бамбой, профессором Йокогамского национального университета. Он пояснил коллегам, что базовая математическая модель уже была разработана Мотоаки, нам нужно было учесть некоторые специфические магнитные свойства материала, чтобы получить точные результаты. Когда ваша теория совпадает с экспериментальными данными, что случается довольно редко, — это лучшее чувство для учёного.

Более того, кристалл, использованный в этом исследовании, является одним из примеров более широкого класса материалов, а значит, это исследование открывает путь к изучению квантовых явлений в других материалах с аналогичным взаимодействием магнитных компонентов. Джуничиро Коно, профессор инженерии Карла Ф. Хассельманна, профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии, а также автор исследования добавил, что дмонстрация формы SRPT, полностью управляемой за счёт взаимодействия двух внутренних флуктуаций вещества, знаменует собой значительный прорыв в квантовой физике, создавая новую основу для понимания и использования внутренних квантовых взаимодействий в материалах.

К югу от Нептуна обнаружена новая экзопланета.