Микроскопический механизм потери квантовой когерентности в открытых системах доказан впервые

Воздействие мощного лазерного импульса на твердотельное вещество запускает внутри него сложные и экстремально быстрые физические процессы. Когда инфракрасный лазер облучает кристалл, его электроны выходят из состояния покоя и начинают двигаться строго синхронно, следуя за электромагнитным полем световой волны. Это коллективное движение приводит к феномену генерации высоких гармоник — материал начинает излучать свет на частотах, которые во много раз превышают частоту исходного лазерного импульса.

Сегодня генерация высоких гармоник является одним из важнейших инструментов в арсенале физиков. Спектроскопия на основе этого эффекта позволяет с беспрецедентной точностью определять структуру электронных энергетических зон, измерять симметрию материалов и фиксировать сверхбыстрые изменения внутри атомной решетки.

Однако использование этого метода десятилетиями было сопряжено с фундаментальной теоретической проблемой. Идеально синхронизированное, или когерентное, состояние электронов в твердых телах крайне нестабильно. Согласованное движение разрушается с феноменальной скоростью — процесс, называемый дефазировкой, занимает всего одну-две фемтосекунды. Для понимания масштаба: в одной секунде содержится один квадриллион фемтосекунд. Столь стремительная потеря квантовой информации затрудняла точные расчеты и ограничивала возможности управления электронными процессами. До недавнего времени ни одна теоретическая модель не могла дать точного микроскопического объяснения, какая именно физическая сила заставляет электроны так быстро терять свою синхронность.

Группа исследователей из Республики Корея опубликовала работу, которая предлагает математическое и физическое обоснование этого парадокса. Они доказали, что сверхбыстрая потеря когерентности вызвана деструктивным столкновением двух независимых типов электромагнитного излучения, которые одновременно возникают внутри кристаллической решетки под воздействием лазера.

Переход к физике открытых систем

Главная сложность в изучении квантовой динамики твердых тел заключается в многочастичных взаимодействиях. Предыдущие исследования пытались объяснить дефазировку, используя модели изолированных квантовых систем. Ученые применяли уравнение Шрёдингера или базовые кинетические уравнения, которые хорошо работают для одиночных атомов в вакууме, но дают сбои при описании реального кристалла. В изолированной модели система не обменивается энергией с внешней средой, поэтому для объяснения затухания сигнала физикам приходилось вводить искусственные параметры.

Корейские исследователи радикально изменили подход. Они рассмотрели кристалл как открытую квантовую систему с неизбежной диссипацией — постоянной потерей энергии и рассеянием информации в окружающую среду.

Для вычислений была использована одномерная модель Хаббарда. Это стандартный физический концепт, который описывает два главных фактора: способность электронов перескакивать от одного атома к другому и силу их взаимного кулоновского отталкивания при нахождении на одной орбитали. Чтобы интегрировать в эту модель потерю энергии, авторы применили квантовое уравнение Линдблада. Этот математический аппарат позволил напрямую смоделировать взаимодействие движущихся электронов с внешней средой и друг с другом.

Анализ показал, что оптическая накачка материала генерирует не один, а два параллельных радиационных процесса, которые имеют совершенно разную физическую природу.

Широкополосный фон: следствие столкновений

Первый процесс обусловлен прямым взаимодействием частиц. Когда лазер передает энергию материалу, электроны начинают активно перемещаться по кристаллической решетке и неизбежно сталкиваются друг с другом. Этот процесс называется электрон-электронным рассеянием.

В результате множественных столкновений часть электронов получает избыточную энергию, превращаясь в высокоэнергетичные «горячие носители заряда». Пытаясь избавиться от лишней энергии, эти частицы испускают фотоны. Характер этого излучения является хаотичным и бесструктурным. В спектроскопии он фиксируется как непрерывный широкополосный фон. Физически этот процесс максимально близок к классическому закону излучения абсолютно черного тела: спектр зависит только от эффективной температуры нагретых электронов, а не от внутренней геометрии кристалла. Чем активнее электроны сталкиваются между собой, тем плотнее становится этот световой фон.

Сверхизлучение Дикке: коллективный выброс энергии

Второй процесс базируется на строгих законах квантовой механики и геометрии кристаллической решетки. Речь идет о сверхизлучении Дикке.

Теория сверхизлучения была сформулирована физиком Робертом Дикке еще в 1954 году, однако долгое время ее было крайне сложно зафиксировать в твердотельных материалах при комнатных температурах. Суть явления заключается в следующем: если расстояние между возбужденными атомами значительно меньше длины волны испускаемого ими света, они теряют способность излучать фотоны независимо друг от друга.

В плотной среде кристалла спонтанный переход одного электрона на более низкий энергетический уровень с испусканием фотона вызывает цепную реакцию. Электромагнитное поле первого фотона мгновенно стимулирует соседние электроны совершить точно такой же переход. Происходит коллективный, фазово-согласованный выброс излучения. В отличие от широкополосного фона, сверхизлучение Дикке порождается взаимодействием электронов не друг с другом, а с общим радиационным полем среды. Это сверхкороткая, узконаправленная и чрезвычайно мощная вспышка.

Интенсивность этих двух процессов кардинально различается. Мощность теплового широкополосного излучения растет линейно и прямо пропорциональна количеству атомов (математически это обозначается как N). Мощность сверхизлучения Дикке пропорциональна квадрату числа участвующих атомов (N2).

Механизм дефазировки: конфликт двух полей

Разгадка сверхкороткого времени дефазировки кроется во взаимодействии описанных выше излучений.

Широкополосный фон и сверхизлучение Дикке генерируются в кристалле одновременно, но их электромагнитные волны имеют разную структуру и смещены по фазе относительно друг друга. Причина рассинхронизации фаз заключается в том, что в процессе сверхизлучения участвует внешнее рассеяние (взаимодействие со средой), тогда как широкополосный фон возникает исключительно из-за внутренних столкновений частиц.

Когда эти два типа излучения накладываются друг на друга внутри ограниченного объема материала, происходит деструктивная интерференция. В физике волн этот термин означает процесс, при котором пик одной электромагнитной волны совпадает со спадом другой. Волна сверхизлучения Дикке и волна широкополосного теплового фона буквально подавляют, гасят друг друга.

Математическое моделирование исследователей показало, что именно это взаимное гашение полей выступает в роли тормоза для всей квантовой системы. Деструктивная интерференция радикально уменьшает эффективное время свободного пробега электронов. Световые волны, уничтожающие друг друга, нарушают общую синхронность электронного облака, сводя время когерентности системы к тем самым 1-2 фемтосекундам.

Пути экспериментальной проверки

Предложенная теория не ограничивается компьютерными расчетами и предоставляет четкий алгоритм для экспериментального подтверждения. Поскольку два типа излучения имеют разную физическую природу, их можно разделить в лабораторных условиях, используя современные двумерные материалы, такие как графен или дисульфид молибдена (MoS2​).

Ключевым фактором выступает расстояние между атомами. Интенсивность сверхизлучения Дикке критически зависит от плотности решетки: при увеличении расстояния между узлами оно стремительно падает. Интенсивность широкополосного излучения, зависящая от температуры горячих электронов, менее чувствительна к этому параметру.

Авторы предлагают применить к двумерному материалу контролируемое механическое напряжение. Физическое растяжение пленки увеличит межатомную дистанцию. В ходе такого эксперимента приборы должны зафиксировать быстрое угасание сверхизлучения Дикке на фоне сохраняющегося широкополосного теплового свечения. Вторым методом может стать фазово-разрешенная спектроскопия в сверхкоротком временном окне, способная отделить резкий пик когерентных фотонов Дикке от длительного шумового фона.

Значение для технологий будущего

Понимание точного микроскопического механизма потери квантовой когерентности в твердых телах имеет критическое значение для развития прикладной физики. Дефазировка — это главное физическое препятствие при создании надежной квантовой памяти, кубитов для квантовых компьютеров и сверхбыстрой оптоэлектроники, работающей на частотах в десятки петагерц.

До сих пор инженеры боролись с потерей когерентности вслепую, рассматривая ее как неизбежное свойство материала. Работа южнокорейских ученых доказывает, что фемтосекундная дефазировка вызвана конкретным радиационным конфликтом внутри решетки.

Зная причину деструктивной интерференции, материаловеды получают возможность управлять этим процессом. Внося целенаправленные изменения в параметры кристаллической решетки, контролируя плотность электронов или искусственно ограничивая взаимодействие частиц с радиационным фоном, ученые в перспективе смогут подавить процесс сверхизлучения Дикке. Изоляция одного из конфликтующих факторов позволит предотвратить их взаимоуничтожение, что напрямую приведет к увеличению времени квантовой когерентности в твердотельных носителях. Это шаг к созданию электронных систем, способных стабильно работать на субатомном уровне.

Источник: Advanced Science