Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Открытие сделано в кристалле эрбий-железо-кислород, охлаждённом до -271.67°C (-457°F) и подвергнутом воздействию магнитного поля, в 100 000 раз превышающего земное.
Во время прорывного исследования группа учёных из Университета Райса сообщила о первом прямом наблюдении удивительного квантового явления, известного как сверхизлучательный фазовый переход [СФП – состояние, при котором множество квантовых частиц или возбуждений спонтанно синхронизируют своё излучение или колебания], предсказанного более полувека назад.
Это открытие может проложить путь к революционным достижениям в области квантовых вычислений, связи и сенсорных технологий. Это необычное поведение возникает, когда две группы квантовых частиц начинают флуктуировать [испытывать случайные колебания или изменения] вместе в идеальной синхронизации — без какого-либо внешнего влияния — создавая совершенно новое состояние вещества.Сбылась ли мечта Эйнштейна о единой теории поля – Новый взгляд на гравитацию и электромагнетизм
Квантовая теория становится кристально ясной
Прорыв произошёл в кристалле, состоящем из эрбия, железа и кислорода, который исследователи охладили до леденящих -271.67°C (-457°F, что близко к абсолютному нулю) и подвергли воздействию интенсивного магнитного поля — более чем в 100 000 раз сильнее земного.
«Изначально предполагалось, что СФП возникает из-за взаимодействия между флуктуациями квантового вакуума [естественными, присущими пустому пространству колебаниями квантовых полей] и флуктуациями вещества», — говорится в пресс-релизе Дасом Ким, студентки Университета Райса и ведущего автора исследования.
«Однако в нашей работе мы реализовали этот переход, связав две различные магнитные подсистемы — спиновые флуктуации ионов железа и ионов эрбия внутри кристалла».
Спин [собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и связанный с магнитными свойствами] относится к магнитному свойству частиц, как электроны, которые условно «вращаются» и ориентированы в определённом направлении. Когда многие спины указывают в одном направлении, они формируют магнитные узоры в материале.
Если эти спины движутся вместе волнообразно, эффект называется магноном [квазичастица, представляющая собой коллективное возбуждение спиновой системы в магнитоупорядоченных средах].
До настоящего времени возникновение этого явления было предметом споров, поскольку оно сталкивалось с ограничением — называемым в теоретической физике «запретительной теоремой» (no-go theorem – теорема, доказывающая невозможность определённого процесса или состояния при заданных условиях] — возникающим в системах, основанных на взаимодействии света и вещества.
Исследователи обошли этот барьер, организовав СФП в магнитном кристалле на основе взаимодействия между двумя спиновыми подсистемами, создав магнонную версию явления. В этом случае магноны, генерируемые ионами железа, берут на себя роль, обычно играемую флуктуациями вакуума, в то время как спины ионов эрбия представляют флуктуации вещества.
Затем исследователи использовали передовые спектроскопические методы [методы исследования вещества путём анализа спектров его взаимодействия с излучением] для наблюдения недвусмысленных признаков СФП: энергетический сигнал одной спиновой моды исчезал, а другой демонстрировал явный сдвиг или «излом» (kink) в зависимости энергии от параметра.
Новый взгляд на сверхизлучение
Эти спектральные сигнатуры идеально согласуются с теоретическими предсказаниями для сверхизлучательной фазы, что даёт исследователям уверенность, что они успешно создали это долгожданное состояние.
«Мы установили сверхсильную связь между этими двумя спиновыми системами и успешно наблюдали СФП, преодолев предыдущие экспериментальные ограничения», — сказала Ким. Исследователи заявили, что коллективные квантовые состояния при СФП обладают уникальными свойствами, которые могут быть использованы для квантовых технологий следующего поколения.
«Вблизи квантовой критической точки [точка фазового перехода, происходящего при абсолютном нуле температуры под влиянием квантовых флуктуаций] этого перехода, система естественным образом стабилизирует квантово-сжатые состояния [состояния, в которых неопределённость (шум) одной квантовой характеристики уменьшена из-за увеличения неопределённости другой], где квантовый шум резко снижен, что значительно повышает точность измерений», — пояснила Ким.
«В целом, это понимание может революционизировать квантовые сенсоры и вычислительные технологии, значительно улучшив их точность (fidelity), чувствительность и производительность».
Кристалл, использованный в эксперименте, является частью более широкого класса материалов, что предполагает возможность изучения аналогичных квантовых поведений в других соединениях со взаимодействующими магнитными компонентами.
«Демонстрация формы СФП, полностью обусловленной связью двух внутренних флуктуаций вещества, знаменует собой значительный прорыв в квантовой физике, создавая новую основу для понимания и использования внутренних квантовых взаимодействий внутри материалов», — сказал Дзюнитиро Коно (Junichiro Kono), автор-корреспондент исследования.
