Ученые наблюдают экзотическую квантовую фазу, которую ранее считали невозможной

Группа исследователей из Университета Райса совершила прорыв в квантовой физике, впервые экспериментально подтвердив существование сверхизлучательного фазового перехода (SRPT) — явления, предсказанного теоретически более 50 лет назад. Это открытие, опубликованное в журнале Science Advances, не только подтверждает фундаментальные принципы квантовой механики, но и открывает новые перспективы для развития квантовых технологий, включая вычисления, связь и сенсорику.

Сверхизлучательный фазовый переход возникает, когда две группы квантовых частиц начинают коллективно колебаться без внешнего воздействия, формируя новое состояние материи. В данном исследовании SRPT наблюдался в кристалле, состоящем из эрбия, железа и кислорода. Для достижения необходимых условий кристалл охлаждали до экстремально низкой температуры (-271°С) и подвергали воздействию мощного магнитного поля до 7 тесла, что в 100 000 раз сильнее земного.

Изначально предполагалось, что SRPT возникает из-за взаимодействия квантовых вакуумных флуктуаций (квантовых световых полей) и флуктуаций материи. Однако исследователи реализовали переход через связь двух магнитных подсистем: спиновых флуктуаций ионов железа и эрбия. Спин, описывающий магнитные свойства частиц, играл центральную роль в эксперименте. Когда спины выстраиваются в определенный узор и создают волнообразные возбуждения (магноны), возникает коллективное квантовое состояние.

Долгое время возможность существования SRPT ставилась под сомнение из-за «теоремы о недопустимости» в системах на основе света. Однако использование магнитного кристалла позволило обойти это ограничение. Магноны ионов железа имитировали роль вакуумных флуктуаций, а спины эрбия представляли флуктуации материи. Это инновационное решение подтвердило реальность SRPT и расширило понимание квантовых фазовых переходов.

Практические приложения

Коллективные квантовые состояния, возникающие при SRPT, обладают уникальными свойствами, такими как квантовое сжатие, которое значительно снижает уровень шумов. Это открывает возможности для создания высокоточных квантовых датчиков и улучшения производительности квантовых компьютеров. Кроме того, исследование демонстрирует, что принципы квантовой оптики можно применять к твердым материалам, что расширяет горизонты материаловедения и квантовой инженерии.

Открытие SRPT в магнитных материалах создает основу для изучения других квантовых явлений в аналогичных системах. Как отметил профессор Дзюнъитиро Коно, это исследование устанавливает новую парадигму для управления квантовыми состояниями внутри материалов, что может привести к революционным технологическим прорывам.

Работа ученых из Университета Райса не только подтверждает давние теоретические предсказания, но и прокладывает путь для практического использования квантовых эффектов в современных технологиях. Это исследование подчеркивает важность междисциплинарного подхода, объединяющего квантовую физику, материаловедение и инженерию, для решения сложных научных задач.