Исследование может помочь открыть возможности работы при более высоких температурах таких технологий, как квантовая связь, криптология, датчики и вычисления.
Типичное изображение экзотического квантового состояния.
koto_feja/iStock
Международное сотрудничество исследователей из университетов США и Парижа позволило раскрыть механизм и условия, необходимые для достижения экзотических квантовых состояний, таких как сверхпроводимость или суперфлуоресценция при более высоких температурах.
Это может помочь в создании квантовых компьютеров будущего, которым не нужны сверхнизкие температуры для работы.
Человеческая жажда новых и передовых технологий проникла в квантовую сферу, где ученые исследуют возможности материалов за пределами атомной структуры. Квантовые вычисления и датчики являются яркими примерами использования квантовых свойств для достижения невообразимого.
Квантовые компьютеры могут решать задачи, на которые даже самые быстрые суперкомпьютеры потребуют десятилетий. Однако работа этих устройств возможна только при чрезвычайно низких температурах, которые практически невозможно воспроизвести вне лаборатории для коммерческих приложений. Именно здесь потребность в материалах, работающих при относительно более высоких температурах, становится решающей.
Почему квантовым экзотическим состояниям нужны сверхнизкие температуры?
Квантовые состояния, такие как сверхпроводимость или сверхтекучесть, достигаются, когда материал демонстрирует коллективное поведение, например, плавание стаи рыб или синхронное мерцание светлячков, но на квантовом уровне.
Исследователи называют это макроскопическим квантовым фазовым переходом, при котором группа квантовых частиц образует макроскопически когерентную систему, которая затем действует как гигантская квантовая частица, демонстрируя экзотические квантовые состояния, такие как суперфлуоресценция или сверхпроводимость.
Однако этого можно достичь при сверхнизких температурах, поскольку энергия при высоких температурах создает «шум», который нарушает синхронизацию материала, предотвращая квантовый фазовый переход.
Устойчивость к тепловому шуму
Кенан Гюндогду, профессор физики в Университете штата Северная Каролина, и его коллеги ранее открыли гибридные перовскитные материалы, атомная структура которых защищает квантовые частицы от теплового шума достаточно долго для того, чтобы произошел квантовый фазовый переход.
В этих материалах образуются поляроны — группы атомов, связанных с электронами, — которые изолируют светоизлучающие диполи от термической интерференции. Это приводит к квантовым экзотическим состояниям, таким как суперфлуоресценция. Однако механизм этой изоляции оставался неизвестным.
В настоящее время Гюндогду и его коллеги сотрудничают с исследователями из крупнейших университетов США и Политехнического института Парижа. Они использовали лазеры для возбуждения этих электронов внутри поляронов и обнаружили более крупную группировку, называемую солитоном.
«Представьте себе атомную решетку как тонкую ткань, натянутую между двумя точками», — пояснил Гюндогду в пресс-релизе. «Если вы поместите на ткань твердые шарики — представляющие экситоны — каждый шарик деформирует ткань локально. Чтобы получить экзотическое состояние, такое как суперфлуоресценция, вам нужно, чтобы все экситоны, или шарики, образовали когерентную группу и взаимодействовали с решеткой как единое целое, но тепловой шум препятствует этому при высоких температурах.
Шар и его локальная деформация вместе образуют полярон. Солитон — это упорядоченное образование поляронов в решетке, которое гасит тепловые возмущения. Для образования солитона плотность возбужденных поляронов в материале должна быть высокой, добавили в пресс-релизе. Гипотеза была дополнительно подтверждена экспериментальными результатами, проведенными в Университете Дьюка и Политехнической школе.
«Эта работа демонстрирует количественную теорию и подкрепляет ее экспериментальными результатами», — добавил Гюндогду. «Макроскопические квантовые эффекты, такие как сверхпроводимость, являются ключом ко всем квантовым технологиям, которые мы разрабатываем — квантовая связь, криптология, зондирование и вычисления — и все они в настоящее время ограничены необходимостью низких температур.
«Но теперь, когда мы понимаем теорию, у нас есть руководящие принципы для разработки новых квантовых материалов, которые могут функционировать при высоких температурах, что является огромным шагом вперед».
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
