Дослідники відкрили новий квантовий стан

Дослідницька група за участю Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) виявила квантовий стан, коли вода залишається рідкою навіть за надзвичайно низьких температур. Команда, що складається з експертів з Інституту фізики твердого тіла Токійського університету в Японії, Університету Джона Хопкінса в США та Інституту фізики складних систем Макса Планка (MPI-PKS) в Дрездені, Німеччина, вдалося охолодити певний матеріал майже до абсолютного нуля.

Вони виявили, що центральна властивість атомів – їх розташування – не «замерзає», як зазвичай, а залишається в «рідкому» стані. Новий квантовий матеріал може служити модельною системою для розробки нових високочутливих квантових датчиків. Команда нещодавно опублікувала свої висновки в журналі Nature Physics.

На перший погляд, квантові матеріали нічим не відрізняються від звичайних речовин, але вони, безперечно, роблять свою справу: всередині електрони взаємодіють із надзвичайною інтенсивністю як один з одним, так і з атомами кристалічної решітки. Ця тісна взаємодія призводить до потужних квантових ефектів, які діють не лише на мікроскопічному, але й на макроскопічному масштабі. Завдяки цим ефектам квантові матеріали виявляють чудові властивості. Наприклад, вони можуть проводити електрику без втрат за низьких температур. Часто навіть незначних змін температури, тиску або електричної напруги достатньо, щоб кардинально змінити поведінку матеріалу.

В принципі, магніти також можна розглядати як квантові матеріали; зрештою, магнетизм базується на внутрішньому спіні електронів у матеріалі. «У певному сенсі ці оберти можуть поводитися як рідина», — пояснює професор Йохен Возніца з Дрезденської лабораторії магнітного поля (HLD) при HZDR. «Зі зниженням температури ці невпорядковані оберти можуть замерзати, подібно до того, як вода замерзає в лід». Наприклад, певні види магнітів, так звані феромагнетики, є немагнітними вище їх «замерзання», або, точніше, точки впорядкування. Тільки коли вони опускаються нижче, вони можуть стати постійними магнітами.

Матеріал високої чистоти

Міжнародна команда мала намір створити квантовий стан, у якому атомне вирівнювання, пов’язане зі спінами, не впорядковане навіть при ультранизьких температурах – подібно до рідини, яка не твердне навіть при сильному холоді. Для досягнення такого стану дослідницька група використовувала спеціальний матеріал – з’єднання елементів празеодиму, цирконію та кисню. Вони припустили, що в цьому матеріалі властивості кристалічної решітки дозволять спінам електронів особливим чином взаємодіяти зі своїми орбіталями навколо атомів.

«Однак необхідною умовою було мати кристали надзвичайної чистоти та якості», — пояснює професор Сатору Накацудзі з Токійського університету. Знадобилося кілька спроб, але зрештою команда змогла виготовити достатньо чисті кристали для свого експерименту: у кріостаті, щось на кшталт супертермосу, експерти поступово охолоджували свій зразок до 20 мілікельвінів – всього одна п’ятдесята градуса. вище абсолютного нуля. Щоб побачити, як зразок відреагував на цей процес охолодження та всередині магнітного поля, вони виміряли, наскільки він змінився в довжину. В іншому експерименті група записала, як кристал реагує на ультразвукові хвилі, які безпосередньо надходять через нього.

Інтимна взаємодія

Результат: «Якби оберти були впорядковані, це мало б спричинити різку зміну поведінки кристала, наприклад раптову зміну довжини», — описує д-р Сергій Жерліцин, експерт HLD з ультразвукових досліджень. «Проте, як ми помітили, нічого не сталося! Не було раптових змін ні в довжині, ні в його реакції на ультразвукові хвилі». Висновок: яскраво виражена взаємодія спінів і орбіталей перешкоджала впорядкуванню, через що атоми залишалися в рідкому квантовому стані – такий квантовий стан спостерігався вперше. Подальші дослідження в магнітних полях підтвердили це припущення.

Цей базовий результат дослідження одного разу може мати практичні наслідки: «У якийсь момент ми зможемо використовувати новий квантовий стан для розробки високочутливих квантових датчиків», — припускає Йохен Восніца. «Але для цього нам все ще потрібно з’ясувати, як систематично генерувати збудження в цьому стані». Квантовий сенсор вважається перспективною технологією майбутнього. Оскільки їх квантова природа робить їх надзвичайно чутливими до зовнішніх подразників, квантові датчики можуть реєструвати магнітні поля або температури з набагато більшою точністю, ніж звичайні датчики. Джерело