Физики запечатлели необычную квантовую фазу, которую когда-то считали невозможной

Ученые из Университета Райса (США) впервые наблюдали удивительное квантовое явление, о котором говорили еще 50 лет назад, но не могли проверить на практике. Это открытие, опубликованное в Science Advances, может изменить будущее компьютеров, датчиков и связи. Они называют его сверхизлучательный фазовый переход (SRPT) — момент, когда частицы в кристалле начинают двигаться вместе, как танцоры в идеальном ритме, без внешнего толчка.

Исследователи работали с кристаллом из эрбия, железа и кислорода, охлажденным до –272.8 °C (почти абсолютный ноль) и помещенным в магнитное поле силой 7 тесла (размером с дом) — это в 100 000 раз сильнее магнита Земли. В таких условиях атомы в кристалле показали SRPT: их спины (как крошечные магнитные стрелки) начали колебаться вместе, создавая новое состояние материи.

«Мы установили сверхсильную связь между двумя спиновыми системами и успешно наблюдали SRPT», — говорит Дасом Ким, ведущий автор исследования.

Обычно SRPT ждали от взаимодействия света и материи, но здесь он возник из связи двух групп атомов — железа и эрбия. Это как если бы два оркестра заиграли в унисон без дирижера, объясняют ученые. Спины железа действовали как «свет», а эрбия — как «материя», создавая волны, называемые магнонами (представьте рябь на воде, но из магнитных полей).

SRPT — создает квантово-сжатые состояния , где шум (случайные помехи) почти исчезает. Такие состояния идеальны для:

• квантовых компьютеров, которые будут быстрее обычных;

• датчиков, способных уловить мельчайшие сигналы — например, в медицине;

• связи, где данные передаются без потерь.

«Вблизи квантовой критической точки система стабилизирует квантово-сжатые состояния, повышая точность измерений, что невероятно», — объясняет Ким.

Открытие обошло барьер физики, известный как «теорема о недопустимости», доказав, что SRPT возможен в твердых материалах. Это открывает путь к новым технологиям, использующим магнитные кристаллы.

Команда использовала спектроскопию — метод, похожий на рентген, но для энергии атомов. Они видели, как сигналы спинов меняются: один исчезал, другой резко сдвигался, указывая на точные признаки SRPT. Условия были экстремальными: кристалл охлаждали жидким гелием, а магнитное поле создавали мощные катушки. 

«Демонстрация SRPT, управляемого связью двух флуктуаций материи, — значительный прорыв для науки», — говорит Дзюнъитиро Коно, автор исследования.