Лазерный луч взломал законы физики — и это изменит мир

Современные технологии могут кардинально измениться благодаря уникальным свойствам квантовых материалов, которые проявляются под воздействием внешних факторов.

Фото: https://www.flickr.com/photos/25649741@N04/5391914387 by FastLizard4, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/

Лазер

Однако эти необычные состояния, как правило, исчезают практически мгновенно, что создаёт серьёзные препятствия для их использования в реальной жизни. Исследователи из Гарвардского университета и Института Пола Шеррера (PSI) нашли способ продлить существование таких состояний, изучив их с помощью мощных рентгеновских лучей, генерируемых лазером SwissFEL. Их открытие, опубликованное в одном из ведущих научных журналов, может стать настоящим прорывом.

Некоторые вещества обладают скрытыми квантовыми характеристиками, которые способны произвести революцию в таких областях, как электроника с нулевыми потерями энергии или создание аккумуляторов с огромной ёмкостью. В обычных условиях эти свойства остаются невидимыми, и для их активации требуется воздействие, например, сверхкороткими световыми импульсами. Такие импульсы изменяют внутреннюю структуру материалов, раскрывая их потенциал. Однако проблема в том, что подобные изменения длятся лишь доли секунды, что делает их практически неприменимыми. В редких случаях удаётся добиться более длительного эффекта, но до сих пор не существовало единого подхода к созданию таких устойчивых состояний.

Команда из Гарварда и PSI разработала метод, позволяющий стабилизировать эти мимолётные состояния, воздействуя на симметрию электронных структур в соединении на основе оксида меди. Используя возможности рентгеновского лазера SwissFEL, учёные смогли создать так называемое "метастабильное" состояние, которое сохраняется в тысячи раз дольше, чем обычно, — до нескольких наносекунд.

Исследователи работали с соединением Sr14Cu24O41, которое называют "купратной лестницей" из-за его почти одномерной структуры. Эта структура состоит из двух элементов — "цепочек" и "лестниц", образованных атомами меди и кислорода. Один из участников исследования отметил, что такой материал можно сравнить с модельным объектом, идеально подходящим для изучения сложных квантовых процессов, которые встречаются и в более сложных системах.

Чтобы добиться устойчивого состояния, материал нужно "запереть" в определённом энергетическом положении, из которого он не сможет быстро выйти. При этом важно избежать изменений в молекулярной структуре, которые могут повлиять на свойства вещества.

Учёные решили сосредоточиться на чисто электронных методах стабилизации. В этом соединении "цепочки" содержат большое количество зарядов, тогда как "лестницы" остаются почти пустыми. В обычном состоянии электроны не могут перемещаться между этими элементами из-за симметрии их расположения.

Однако точно настроенный световой импульс нарушает эту симметрию, позволяя зарядам перемещаться из "цепочек" в "лестницы" через квантовое туннелирование. Один из исследователей сравнил этот процесс с открытием и закрытием клапана: как только световое воздействие прекращается, "туннель" закрывается, и система остаётся в новом состоянии, которое можно изучить.

Для наблюдения за этими процессами использовались сверхбыстрые рентгеновские импульсы, создаваемые на установке SwissFEL. Благодаря методу, известному как резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей с временным разрешением (tr-RIXS), исследователи смогли детально изучить, как электроны ведут себя в момент формирования устойчивого состояния. Этот метод позволил увидеть магнитные, электрические и орбитальные изменения в материале, которые обычно остаются скрытыми.

Один из участников исследования подчеркнул, что такие технологии дают возможность воздействовать на ключевые атомы, определяющие свойства системы. Другой добавил, что благодаря этому методу удалось проследить за движением электронов в реальном времени, что и позволило обнаружить их устойчивость в новом состоянии.

Этот эксперимент стал первым в своём роде на новой установке Furka, которая уже была модернизирована для ещё более точных исследований. Учёные отметили, что такие разработки открывают новые возможности для изучения квантовых материалов, включая анализ различных типов возбуждений, например, колебаний кристаллической решётки. Один из участников исследования выразил уверенность, что подобные эксперименты станут основой для дальнейшего совершенствования технологий.

Это открытие может стать важным шагом в создании материалов с управляемыми свойствами, что в будущем приведёт к появлению сверхбыстрых устройств, преобразующих электрические сигналы в свет и обратно. Такие технологии могут стать основой для квантовой связи и фотонных вычислений. Кроме того, исследования открывают путь к созданию систем хранения данных, где информация будет записываться в квантовых состояниях, управляемых светом.

Уточнения

Квантовое состояние — любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система.