Впервые зафиксированная сверхизлучательная фазовая переходная (SRPT) в магнитном кристалле, состоящем из эрбия, железа и кислорода, стала поворотным моментом в исследовании коллективных квантовых состояний. Открытие, осуществлённое в лаборатории Университета Райса, подтверждает предсказания, сделанные более полувека назад, несмотря на длительные споры, вызванные так называемой теоремой «no-go», которая долгое время считалась препятствием для реализации SRPT в оптических системах.
Экспериментальная установка включала охлаждение кристалла до экстремально низкой температуры — минус 457°F — и воздействие магнитным полем до 7 тесла, что превышает земное магнитное поле в сотню тысяч раз. Для регистрации квантовых эффектов использовались передовые спектроскопические методы. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Суть SRPT заключается в коллективном и самопроизвольном согласовании двух различных групп квантовых частиц, проявляющемся в образовании нового состояния материи. В классических теориях такой переход предполагал участие фотонов, однако, как пояснила ведущий автор исследования, аспирантка программы прикладной физики Университета Райса Дасом Ким: «Мы реализовали этот переход, связав два независимых магнитных подсистемы — спиновые флуктуации ионов железа и ионов эрбия внутри кристалла». Ионы железа обеспечивают коллективные возбуждения спинов, известные как магноны, в то время как ионы эрбия создают собственные спиновые флуктуации.
Экспериментальные данные однозначно указывают на наступление SRPT: энергетический сигнал одной спиновой моды исчезает, а другая демонстрирует резкий спектральный излом. Такие особенности полностью соответствуют теоретическим моделям сверхизлучательной фазы. По словам исследователя Сохайла Дасгупты, занимавшегося теоретическим анализом совместно с Каденом Хаззардом, «когда теория совпадает с экспериментальными данными — а это бывает довольно редко — для учёного это лучшее ощущение».
Ключевой особенностью работы стало преодоление теоретических ограничений. В отличие от оптических систем, где SRPT блокировалась теоремой «no-go», учёным удалось инициировать фазовый переход в магнитном кристалле за счёт взаимодействия двух подсистем спинов, что стало первой реализацией магнонной версии SRPT. Было установлено ультрасильное взаимодействие между спиновыми системами железа и эрбия.
С точки зрения прикладных перспектив, коллективные квантовые состояния, возникающие при сверхизлучательном фазовом переходе, открывают новые возможности для квантовых вычислений, коммуникаций и сенсоров. Вблизи критической точки SRPT наблюдаются так называемые квантово-выжатые состояния, при которых шум снижается, а точность измерений возрастает. Такие эффекты способны радикально повысить чувствительность и достоверность квантовых сенсоров и вычислительных систем.
Открытие также служит основой для дальнейших исследований в области материаловедения, поскольку кристалл относится к широкой группе магнитных материалов, потенциально способных проявлять аналогичные квантовые явления. Разработанная концепция предоставляет новый инструмент для понимания и управления внутренними квантовыми взаимодействиями в твёрдых телах.
Важную роль в исследовании сыграли профессор Каден Хаззард, под руководством которого велось теоретическое моделирование, а также профессор Мотоаки Бамба из Йокогамского национального университета, разработавший базовую математическую модель SRPT. Профессор Дзюнъитиро Коно, ведущий инженер и материаловед, отметил: «Демонстрация формы SRPT, полностью обусловленной взаимодействием двух внутренних флуктуаций материи, является значительным прорывом в квантовой физике».
По мнению Кадена Хаззарда, это открытие «открывает новый способ создания и управления фазами материи с использованием идей квантовой электродинамики резонаторных систем». Новые эксперименты и теоретические подходы обещают не только подтвердить фундаментальные представления о природе коллективных квантовых явлений, но и вывести на новый уровень развитие квантовых технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Экспериментальная установка включала охлаждение кристалла до экстремально низкой температуры — минус 457°F — и воздействие магнитным полем до 7 тесла, что превышает земное магнитное поле в сотню тысяч раз. Для регистрации квантовых эффектов использовались передовые спектроскопические методы. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Суть SRPT заключается в коллективном и самопроизвольном согласовании двух различных групп квантовых частиц, проявляющемся в образовании нового состояния материи. В классических теориях такой переход предполагал участие фотонов, однако, как пояснила ведущий автор исследования, аспирантка программы прикладной физики Университета Райса Дасом Ким: «Мы реализовали этот переход, связав два независимых магнитных подсистемы — спиновые флуктуации ионов железа и ионов эрбия внутри кристалла». Ионы железа обеспечивают коллективные возбуждения спинов, известные как магноны, в то время как ионы эрбия создают собственные спиновые флуктуации.
Экспериментальные данные однозначно указывают на наступление SRPT: энергетический сигнал одной спиновой моды исчезает, а другая демонстрирует резкий спектральный излом. Такие особенности полностью соответствуют теоретическим моделям сверхизлучательной фазы. По словам исследователя Сохайла Дасгупты, занимавшегося теоретическим анализом совместно с Каденом Хаззардом, «когда теория совпадает с экспериментальными данными — а это бывает довольно редко — для учёного это лучшее ощущение».
Ключевой особенностью работы стало преодоление теоретических ограничений. В отличие от оптических систем, где SRPT блокировалась теоремой «no-go», учёным удалось инициировать фазовый переход в магнитном кристалле за счёт взаимодействия двух подсистем спинов, что стало первой реализацией магнонной версии SRPT. Было установлено ультрасильное взаимодействие между спиновыми системами железа и эрбия.
С точки зрения прикладных перспектив, коллективные квантовые состояния, возникающие при сверхизлучательном фазовом переходе, открывают новые возможности для квантовых вычислений, коммуникаций и сенсоров. Вблизи критической точки SRPT наблюдаются так называемые квантово-выжатые состояния, при которых шум снижается, а точность измерений возрастает. Такие эффекты способны радикально повысить чувствительность и достоверность квантовых сенсоров и вычислительных систем.
Открытие также служит основой для дальнейших исследований в области материаловедения, поскольку кристалл относится к широкой группе магнитных материалов, потенциально способных проявлять аналогичные квантовые явления. Разработанная концепция предоставляет новый инструмент для понимания и управления внутренними квантовыми взаимодействиями в твёрдых телах.
Важную роль в исследовании сыграли профессор Каден Хаззард, под руководством которого велось теоретическое моделирование, а также профессор Мотоаки Бамба из Йокогамского национального университета, разработавший базовую математическую модель SRPT. Профессор Дзюнъитиро Коно, ведущий инженер и материаловед, отметил: «Демонстрация формы SRPT, полностью обусловленной взаимодействием двух внутренних флуктуаций материи, является значительным прорывом в квантовой физике».
По мнению Кадена Хаззарда, это открытие «открывает новый способ создания и управления фазами материи с использованием идей квантовой электродинамики резонаторных систем». Новые эксперименты и теоретические подходы обещают не только подтвердить фундаментальные представления о природе коллективных квантовых явлений, но и вывести на новый уровень развитие квантовых технологий.
