Новое состояние материи? Ученые впервые увидели квантовую фазу, запрещенную теорией

Представьте себе ситуацию: полный зал музыкантов, каждый играет что-то свое, царит хаос. И вдруг, без единого взмаха дирижерской палочки, без единого сигнала, все инструменты сливаются в идеально слаженную, мощную мелодию. Звучит как сцена из фантастического фильма, не правда ли? А ведь нечто похожее, только на невообразимо малом, квантовом уровне, недавно удалось наблюдать ученым из Университета Райса. Они стали свидетелями явления, которое больше полувека считалось чем-то из разряда теоретических курьезов, а то и вовсе невозможным. И это не просто очередной пункт в копилку научных знаний, а потенциальный ключ к технологиям, которые могут изменить наше будущее.

Полвека загадок: Что такое СИФП и почему его так долго искали?

Речь идет о так называемом сверхизлучательном фазовом переходе (СИФП). Если попытаться объяснить на пальцах, то это когда множество квантовых частиц (представьте себе крошечные волчки-магнитики, называемые спинами) вдруг, безо всякой команды извне, начинают колебаться синхронно, как единый организм. Они спонтанно переходят в совершенно новое, коллективное состояние.

Идея красивая, спору нет. Впервые ее предложили еще в 70-х годах прошлого века. Тогда физики думали, что такой «квантовый хор» может возникнуть из-за взаимодействия частиц вещества с так называемыми квантовыми флуктуациями вакуума. Да-да, даже в абсолютно пустом пространстве, согласно квантовой механике, постоянно что-то происходит — рождаются и исчезают виртуальные частицы света. Казалось, именно эти «призрачные» поля могут «подтолкнуть» частицы вещества к синхронному танцу.

Но была одна большая проблема. Существовала (и существует) строгая теоретическая теорема — физики называют такие штуки «запретительными теоремами» (no-go theorems), — которая, казалось, ставила крест на возможности СИФП в том виде, как его изначально представляли, особенно в системах, где главную роль играет свет. Получался парадокс: явление вроде бы предсказано, но его реализация наталкивалась на теоретический запрет. Многие ученые вообще сомневались, возможен ли СИФП в реальности.

Элегантный трюк: Магниты вместо света

И вот тут на сцену выходят исследователи из Райса с довольно дерзкой идеей. А что, если попробовать «дирижировать» этим квантовым хором не с помощью света и вакуума, а с помощью… магнитных взаимодействий внутри твердого тела? Сказано — сделано.

В качестве «оркестровой ямы» они выбрали весьма любопытный кристалл, состоящий из атомов эрбия, железа и кислорода (химики бы написали ErFeO₃). Этот кристалл — сам по себе маленький магнитный мир. В нем есть две разные «партии» магнитных игроков: спины ионов железа и спины ионов эрбия. Каждая из этих систем может создавать свои собственные коллективные колебания — волны намагниченности, которые физики называют магнонами.

Дальше — дело техники, хотя и весьма изощренной. Кристалл охладили почти до абсолютного нуля (минус 271 градус Цельсия — холоднее, чем в открытом космосе!) и поместили в чудовищно сильное магнитное поле, в сотни тысяч раз мощнее земного. Зачем такие экстремальные условия? Чтобы максимально усилить взаимодействие между двумя магнитными «хорами» — магнонами железа и спинами эрбия.

И фокус удался! Исследователям удалось добиться сверхсильной связи между этими двумя системами. По сути, они создали ситуацию, где одна магнитная подсистема (магноны железа) начала играть роль тех самых «флуктуаций вакуума» из старой теории, а другая (спины эрбия) — роль «вещества». Они как бы смоделировали исходную идею СИФП, но полностью внутри материала, обойдя ту самую «запретительную теорему», которая мешала в системах со светом. Хитро, правда?

Услышать шепот квантов: Доказательства налицо

Но как понять, что это действительно ОНО — тот самый неуловимый СИФП? Просто посмотреть на кристалл недостаточно. Ученые использовали сверхчувствительные «уши» — методы спектроскопии. Это способ «послушать», на каких частотах колеблются частицы в материале, изучая, как он взаимодействует со светом или другими волнами.

И спектры рассказали удивительную историю. При достижении определенных условий (той самой сверхсильной связи) сигналы от одной системы спинов (эрбия) начали вести себя точно так, как предсказывала теория для СИФП: их энергия резко менялась, «изламывалась». А сигналы от другой системы (магнонов железа) тоже претерпевали характерные изменения. Картина совпала с теоретическими расчетами просто идеально! Это было уже не просто предположение, а убедительное доказательство: да, СИФП, который так долго искали, наконец-то наблюдался воочию.

«Нам удалось не только установить сверхсильную связь между двумя спиновыми системами, но и впервые напрямую увидеть признаки СИФП, преодолев все прошлые ограничения», — делится радостью Дасом Ким, одна из ведущих авторов исследования.

А зачем нам все это? Практическая польза квантового хора

Хорошо, скажете вы, физики подтвердили еще одну теорию полувековой давности. Здорово, конечно. Но какая от этого польза нам, обычным людям? Оказывается, самая прямая!

Дело в том, что это коллективное, синхронизированное состояние частиц при СИФП обладает поистине уникальными свойствами. Вблизи точки этого перехода система естественным образом подавляет так называемый квантовый шум. А знаете, что это такое? Это фундаментальный предел точности любых измерений в микромире, главный враг всех квантовых технологий. Он мешает и квантовым компьютерам стабильно работать, и квантовым сенсорам быть достаточно чувствительными.

Так вот, состояние СИФП — это природный «шумодав»! Если научиться создавать и контролировать такие состояния, можно резко повысить точность измерений. Представьте себе медицинские томографы, способные разглядеть самые ранние признаки болезни, или навигационные системы, работающие с немыслимой прежде точностью. Или квантовые компьютеры, которые станут гораздо стабильнее и смогут решать задачи, недоступные сегодняшним суперкомпьютерам. Звучит уже не так абстрактно, согласитесь?

Новый взгляд на старые материалы

И это еще не конец истории. Кристалл, использованный в эксперименте, — лишь один из многих материалов, где существуют похожие взаимодействующие магнитные подсистемы. Открытие команды из Райса показывает, что СИФП — это не экзотика, доступная лишь в одной-единственной системе, а потенциально более общее явление.

Более того, это исследование демонстрирует, как идеи из одной области физики — квантовой оптики (где изначально и зародилась концепция СИФП) — могут быть успешно перенесены в совершенно другую область — физику твердого тела. Это открывает совершенно новые горизонты для поиска и создания материалов с необычными квантовыми свойствами. Мы как будто получили новый инструмент для управления материей на самом фундаментальном уровне.

Что в итоге?

Наблюдение сверхизлучательного фазового перехода — это больше, чем просто галочка в списке нерешенных физических проблем. Это яркий пример того, как смелая теоретическая идея, долгое время считавшаяся почти нереализуемой, вдруг находит свое подтверждение в остроумном эксперименте. Это напоминание о том, что мир квантовой механики все еще полон сюрпризов и неизученных возможностей. И кто знает, возможно, именно такие фундаментальные открытия, сделанные сегодня в тиши лабораторий, уже завтра лягут в основу технологий, которые кардинально изменят нашу жизнь. По крайней мере, одно ясно точно: наблюдать за тем, как раздвигаются границы познания, — невероятно увлекательно!