Et team af Rice University -forskere rapporterede om den første direkte observation af et overraskende kvantefænomen, der forudsagde for over et halvt århundrede siden, åbnede veje til revolutionære applikationer inden for kvanteberegning, kommunikation og sensing.
Kendt som en superradiant faseovergang (SRPT) forekommer fænomenet, når to grupper af kvantepartikler begynder at svinge på en koordineret, kollektiv måde uden nogen ekstern trigger og danner en ny tilstand af stof.
Opdagelsen blev foretaget i en krystal sammensat af erbium, jern og ilt, der blev afkølet til minus 457 Fahrenheit og udsat for et kraftigt magnetfelt på op til 7 Tesla (over 100.000 gange stærkere end Jordens magnetfelt), ifølge en undersøgelse, der blev offentliggjort i Videnskab fremmer.
“Oprindeligt blev SRPT foreslået som opstået fra interaktioner mellem kvantevakuumsvingninger – Quantum Light -felter, der naturligt eksisterede, selv i helt tomt rum – og sagsvingninger,” sagde Dasom Kim, en risdoktor i det anvendte fysikuddannelsesprogram, der er en hovedforfatter i undersøgelsen.
“I vores arbejde indså vi imidlertid denne overgang ved at koble to forskellige magnetiske delsystemer – spin -svingningerne af jernioner og erbiumioner inden i krystallen.”
Spin beskriver de magnetiske poler af elektroner eller andre partikler og kan forestilles som en lille pil fastgjort til hver partikel, der konstant snurrer og peger i en given retning. Når spins er på linje, skaber de magnetiske mønstre på tværs af et materiale. Når mønsteret af spins krusler over materialet som en bølge, er den resulterende kollektive excitation kendt som en magnon.
Indtil nu, hvorvidt en SRPT faktisk kunne finde sted eller ej, var underlagt debat, da det løber mod en begrænsning-kaldet “no-go teorem” i teoretisk fysik-vier i lysbaserede systemer. Ved at iscenesætte en SRPT i en magnetisk krystal baseret på interaktioner mellem to spin -undersystemer, var forskerne i stand til at omgå denne barriere og skabe en magnonisk version af fænomenet.
Specifikt spiller jernionernes magnoner den rolle, der traditionelt tilskrives vakuumsvingninger, og erbiumionens spins repræsenterer stofsvingninger.
Ved hjælp af avancerede spektroskopiske teknikker observerede forskerne umiskendelige underskrifter af en SRPT, hvor energisignalet fra en spin -tilstand forsvandt og et andet, der viser et klart skift eller kink. Disse spektrale fingeraftryk matcher nøjagtigt, hvad teorien forudsiger for at komme ind i den superradiant fase, hvilket giver teamet høj tillid til, at de faktisk havde lokket den længe efterspurgte tilstand til at blive.
“Vi etablerede en ultrastrong -kobling mellem disse to spin -systemer og observerede med succes en SRPT, der overvinder tidligere eksperimentelle begrænsninger,” sagde Kim.
Forskere er begejstrede ikke kun fordi en 50-årig fysikforudsigelse er blevet bekræftet, men også på grund af, hvad dette kan betyde for kvanteteknologi. Kollektive kvantater ved SRPT har unikke egenskaber, der kan udnyttes til næste generation af kvanteteknologier.
“I nærheden af det kvante kritiske punkt i denne overgang stabiliserer systemet naturligvis kvantespaltede tilstande-hvor kvantestøj er drastisk reduceret-hvilket forbedrer måling af måling af måling,” sagde Kim. “Samlet set kunne denne indsigt revolutionere kvantesensorer og computerteknologier, hvilket markant fremmer deres tro, følsomhed og ydeevne.”
Sohail Dasgupta, en kandidatstuderende ved Rice, der arbejdede med Kaden Hazzard, lektor i fysik og astronomi, modellerede teoretisk SRPT, der bygger på en model udviklet af deres samarbejdspartner og medforfatter Motoaki Bamba, en professor ved Yokohama National University.
“Selvom den grundlæggende matematiske model allerede var lagt ud af Motoaki, var vi nødt til at redegøre for nogle af de specifikke magnetiske egenskaber for materialet for at opnå de nøjagtige resultater. Når din teori matcher de eksperimentelle data ⎯, hvilket sker snarere sjældent ⎯ Det er den bedste følelse for en videnskabsmand,” sagde Dasgupta.
Hazzard sagde, at præstationen viser, at koncepter fra kvanteoptik kan oversættes til faste materialer.
“Dette åbner en ny måde at skabe og kontrollere faser af stof ved hjælp af ideer fra kvanteelektrodynamik på hulrum,” sagde Hazzard.
Desuden er den krystal, der blev anvendt i denne undersøgelse, et eksempel på en bredere klasse af materialer, hvilket betyder, at forskningen baner vejen for at udforske kvantefænomener i andre materialer med lignende interagerende magnetiske komponenter.
“At demonstrere en form for SRPT, der er drevet udelukkende ved at koble to interne stoffluktuationer, markerer et betydeligt gennembrud i kvantefysik, etablering af en ny ramme for forståelse og udnyttelse af iboende kvanteinteraktioner inden for materialer,” sagde Junichiro Kono, Karl F. Hasselmann -professor i konstruktion, professor i elektrisk og computerteknik og materiale videnskab og nanoengineer og The Study’s Correspondent’s.