Вчені побачили квантову фазу, заборонену теорією

Уявіть собі ситуацію: повний зал музикантів, кожен грає щось своє, панує хаос. Нещодавно вдалося спостерігати вченим з Університету Райса. Вони стали свідками явища, яке більше ніж півстоліття вважалося чимось із розряду теоретичних курйозів, а то й зовсім неможливим. І це не просто черговий пункт у скарбничку наукових знань, а потенційний ключ до технологій, які можуть змінити наше майбутнє.

Півстоліття загадок: Що таке СІФП і чому його так довго шукали?

Йдеться про так званий надвипромінювальний фазовий перехід (СІФП). Якщо спробувати пояснити на пальцях, це коли безліч квантових частинок (уявіть собі крихітні вовчки-магнітики, звані спинами) раптом, без будь-якої команди ззовні, починають коливатися синхронно, як єдиний організм. Вони спонтанно переходять у зовсім новий, колективний стан.

Ідея гарна, суперечки немає. Вперше її запропонували ще у 70-х роках минулого століття. Тоді фізики думали, що такий «квантовий хор» може виникнути через взаємодію частинок речовини з так званими квантовими флуктуаціями вакууму. Так-так, навіть в абсолютно порожньому просторі, згідно з квантовою механікою, постійно щось відбувається — народжуються і зникають віртуальні частки світла. Здавалося, саме ці «примарні» поля можуть «підштовхнути» частинки речовини до синхронного танцю.

Але була одна велика проблема. Існувала (і існує) строга теоретична теорема — фізики називають такі штуки «заборонними теоремами» (no-go theorems), — яка, здавалося, ставила хрест на можливості СІФП у тому вигляді, як його спочатку представляли, особливо в системах, де головне роль грає світло. його реалізація наштовхувалася на теоретичну заборону.

Елегантний трюк: Магніти замість світла

І ось тут на сцену виходять дослідники з Райса з досить зухвалою ідеєю. А що, якщо спробувати «диригувати» цим квантовим хором не за допомогою світла та вакууму, а за допомогою… магнітних взаємодій усередині твердого тіла? Сказано – зроблено.

В якості «оркестрової ями» вони обрали дуже цікавий кристал, що складається з атомів ербію, заліза та кисню (хіміки написали б ErFeO₃). Цей кристал — сам собою маленький магнітний світ. У ньому є дві різні «партії» магнітних гравців: спини іонів заліза та спини іонів ербія. Кожна з цих систем може створювати власні колективні коливання — хвилі намагніченості, які фізики називають магнонами.

Далі — справа техніки, хоч і дуже витонченої. Кристал охолодили майже до абсолютного нуля (мінус 271 градус Цельсія — холодніше, ніж у відкритому космосі!) і помістили у страшенно сильне магнітне поле, у сотні тисяч разів потужніше за земне. Навіщо такі екстремальні умови? Щоб максимально посилити взаємодію між двома магнітними «хорами» — магнонами заліза та спинами ербія.

І фокус удався! Дослідникам вдалося досягти надсильного зв’язку між цими двома системами. По суті, вони створили ситуацію, де одна магнітна підсистема (магнони заліза) почала відігравати роль тих самих «флуктуацій вакууму» зі старої теорії, а інша (спини ербія) — роль «речовини». Вони як би змоделювали вихідну ідею СІФП, але повністю всередині матеріалу, обійшовши ту саму «заборонну теорему», яка заважала в системах зі світлом. Хитро, правда?

Почути шепіт квантів: Докази очевидні

Але як зрозуміти, що це дійсно ВОНО — той невловимий СІФП? Просто подивитися на кристал недостатньо. Вчені використовували надчутливі «вуха» – методи спектроскопії. Це спосіб «послухати», на яких частотах коливаються частки у матеріалі, вивчаючи, як він взаємодіє зі світлом чи іншими хвилями. І спектри розповіли надзвичайну історію. Розрахунками просто ідеально! Це було вже не просто припущення, а переконливий доказ: так, СІФП, який так довго шукали, нарешті спостерігався на власні очі.

«Нам вдалося не тільки встановити надсильний зв’язок між двома спіновими системами, а й уперше безпосередньо побачити ознаки СІФП, подолавши всі минулі обмеження», — ділиться радістю Дасом Кім, одна з провідних авторів дослідження.

А навіщо нам це все? Практична користь квантового хору

Добре, скажете ви, фізики підтвердили ще одну теорію півстолітньої давності. Здорово, звісно. Але яка з цього користь нам, звичайним людям? Виявляється, найпряміша! Річ у тому, що цей колективний, синхронізований стан частинок при СІФП має справді унікальні властивості. Поблизу точки цього переходу система природно придушує так званий квантовий шум. А чи знаєте, що це таке? Це фундаментальна межа точності будь-яких вимірів у мікросвіті, головний ворог усіх квантових технологій. Він заважає і квантовим комп’ютерам стабільно працювати і квантовим сенсорам бути досить чутливими.

Так ось, стан СІФП – це природний «шумодав»! Якщо навчитися створювати та контролювати такі стани, можна різко підвищити точність вимірів. Уявіть собі медичні томографи, здатні розглянути ранні ознаки хвороби, або навігаційні системи, що працюють з немислимою точністю. Або квантові комп’ютери, які стануть набагато стабільнішими і зможуть вирішувати завдання, недоступні сьогоднішнім суперкомп’ютерам. Звучить уже не так абстрактно, погодьтеся?

Новий погляд на старі матеріали

І це ще не кінець історії. Кристал, використаний в експерименті, лише один із багатьох матеріалів, де існують схожі взаємодіючі магнітні підсистеми. Відкриття команди з Райса показує, що СІФП — це не екзотика, доступна лише в одній-єдиній системі, а потенційно загальне явище.

Більше того, це дослідження демонструє, як ідеї з однієї галузі фізики — квантової оптики (де спочатку й зародилася концепція СІФП) можуть бути успішно перенесені в зовсім іншу область — фізику твердого тіла. Це відкриває нові горизонти для пошуку і створення матеріалів з незвичайними квантовими властивостями. Ми начебто отримали новий інструмент для управління матерією на фундаментальному рівні.

Що зрештою?

Спостереження надвипромінюючого фазового переходу – це більше, ніж просто галочка у списку невирішених фізичних проблем. Це яскравий приклад того, як смілива теоретична ідея, яка тривалий час вважалася майже нереалізованою, раптом знаходить своє підтвердження в дотепному експерименті. Це нагадування про те, що світ квантової механіки все ще сповнений сюрпризів і невивчених можливостей. І хто знає, можливо саме такі фундаментальні відкриття, зроблені сьогодні в тиші лабораторій, вже завтра ляжуть в основу технологій, які кардинально змінять наше життя. Принаймні одне ясно точно: спостерігати за тим, як розсуваються межі пізнання, — неймовірно захоплююче!