Исследование, опубликованное в журнале Nature, описывает механизм и материальные условия, необходимые для сверхфлуоресценции при комнатной температуре. Работа может послужить основой для создания материалов, которые допускают экзотические квантовые состояния — такие как сверхпроводимость, сверхтекучесть или сверхфлуоресценция — без охлаждения почти до абсолютного нуля. Технология прокладывает путь к созданию квантовых компьютеров, магнитно-резонансных томографов и хранилищ энергии, для работы которых не требуется запредельный минус.
Международную команду, проводившая эксперименты, возглавили ученые Университета штата Северная Каролина. Коллектив включал также исследователей из Университета Дьюка, Бостонского университета и Политехнического института Парижа.
Кенан Гундогду, профессор физики в университете Северной Каролины, отмечает, что в этой работе ученым удалось показать как экспериментальные, так и теоретические причины макроскопической квантовой когерентности при высокой (по сравнению с абсолютным нулем) температуре.
В качестве иллюстрации ученый предлагает представить стайку рыб, плавающих в унисон, или синхронное мелькание светлячков — примеры коллективного поведения в природе. Когда подобное коллективное поведение происходит в квантовом мире (это явление известно как макроскопический квантовый фазовый переход) вещество приобретает экзотические свойства, такие как сверхпроводимость, сверхтекучесть или сверхфлуоресценция.
Во всех этих процессах множество квантов образуют макроскопическую когерентную систему, которая ведет себя подобно одной гигантской квантовой частице. Однако для осуществления квантовых фазовых переходов обычно требуются сверххолодные, или криогенные, условия. Это связано с тем, что более высокие температуры создают тепловой шум, который нарушает синхронизацию и препятствует фазовому переходу.
Модельным материалом для экспериментов в области квантовых переходов служит перовскит, сравнительно редкий для поверхности Земли титанат кальция TiCaO3, впервые обнаруженный в 1839 году на Урале и названный в честь русского государственного деятеля Льва Перовского.
В предыдущем исследовании Гундогду и его коллеги определили, что атомная структура некоторых гибридных перовскитов защищает группы квантовых частиц от теплового шума достаточно долго, чтобы совершился фазовый переход. В этих материалах образуются большие поляроны — группы атомов, связанных с электронами, которые изолируют светоизлучающие диполи от тепловых помех и обеспечивают сверхфлуоресценцию.
В новом исследовании ученые выяснили, как работает эффект изоляции. Когда они использовали лазер для возбуждения электронов в изучаемом гибридном перовските, они увидели, что большие группы поляронов собираются вместе. Такая группировка поляронов называется солитоном.
Солитон образуется только при достаточной плотности возбужденных поляронов в материале. При низкой плотности в системе остаются только свободные некогерентные поляроны, тогда как при превышении пороговой плотности поляроны превращаются в солитоны.
Этот процесс можно сравнить (пусть и достаточно условно) с тонкой тканью, натянутой между двумя опорами. Она играет роль кристаллической решетки. Если на ткань насыпать шарики-поляроны, они продавят ее в случайном порядке. Но при определенных условиях шарики можно собрать вместе, и тут деформация ткани будет в разы больше. Поляроны превратятся в солитон, а в месте его воздействия на ткань может произойти искомый квантовый переход и эфффект сверхфлуоресценции (о сверхпроводимости и сверхтекучести говорить пока рано).
В наших экспериментах мы непосредственно измерили эволюцию группы поляронов от некогерентной некоррелированной фазы к упорядоченной. Это одно из первых в мире прямых наблюдений формирования макроскопического квантового состояния.
Чтобы подтвердить, что образование солитонов подавляет вредное воздействие температуры, группа совместно с Фолькером Блюмом, доцентом кафедры машиностроения и материаловедения в университете Дьюка, рассчитала колебания кристаллической решетки, ответственные за тепловые помехи.
Авторы также сотрудничали с Василием Темновым, профессором физики Политехнической школы Парижа, в ходе моделирования динамики рекомбинации солитона в присутствии теплового шума. Коллаборация подтвердила экспериментальные результаты и доказала внутреннюю когерентность солитона.
Макроскопические квантовые эффекты, такие как сверхпроводимость, являются ключевыми для всех применяемых квантовых технологий — квантовой коммуникации, криптологии, зондирования и вычислений. Все они в настоящее время ограничены необходимостью использования низких температур. Но теперь, когда мы понимаем теорию, у нас есть рекомендации по разработке новых квантовых материалов, которые могут функционировать при комнатных температурах, что является огромным шагом вперед.
О том, как скоро могут появиться квантовые материалы, способные работать при комнатной температуре, читайте в материале Hi-Tech Mail.
