Сверхизлучательная фаза: прорыв в квантовой физике, открывающий новые горизонты технологий

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.
Сверхизлучательная фаза: прорыв в квантовой физике, открывающий новые горизонты 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.


Новое на сайте

20066[b]Фотосинтез в глазах мышей: возможно ли это без превращения в растение?[/b] 20065[b]СПКЯ стало СПМЯ: почему переименование болезни, затрагивающей миллионы женщин, заняло... 20064[b]Почему великая пирамида Гизы пережила все землетрясения за 4500 лет[/b] 20063[b]Генетика Homo erectus: что зубная эмаль рассказала о наших предках[/b] 20062[b]Кости в бухте эребус: что кости моряков Франклина рассказывают спустя полтора века[/b] 20061[b]Крупнейший плавучий ветрогенератор в мире: Китай испытывает установку у берегов... 20060[b]Карие глаза младенца стали индиго после лечения от COVID-19[/b] 20058[b]Почему серебряная чаша с Афиной пролежала в немецком лесу две тысячи лет?[/b] 20057[b]Дыра в атмосфере солнца: вспышка достигла пика и может зажечь полярное сияние[/b] 20056[b]Динго возрастом 950 лет: кто и зачем кормил могилу животного сотни лет?[/b] 20055[b]Томоэ гозэн: женщина-самурай, которая существовала на самом деле[/b] 20054[b]Что видели астронавты «Аполлона-12» над лунным горизонтом?[/b] 20053[b]Восковой блокнот на латыни и шёлковая туалетная бумага: кто посещал средневековый... 20052[b]Хантавирус на борту: 41 человек под наблюдением после рейса MV Hondius[/b]
Ссылка