В журнале Nature опубликованы результаты исследования, которое раскрывает физические механизмы и условия, необходимые для возникновения сверхфлуоресценции при комнатной температуре. Это открытие может стать основой для создания материалов, способных проявлять экзотические квантовые свойства — такие как сверхпроводимость, сверхтекучесть и сверхфлуоресценция — без необходимости охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю. Подобные разработки открывают путь к созданию квантовых компьютеров, МРТ-устройств и систем хранения энергии, которые смогут работать при нормальных температурных условиях.
Исследования проводились международной группой учёных под руководством специалистов из Университета штата Северная Каролина. В проекте также участвовали исследователи из Университета Дьюка, Бостонского университета и Политехнического института Парижа.
Профессор физики Кенан Гундогду из Университета Северной Каролины отметил, что исследователям удалось как экспериментально, так и теоретически подтвердить возможность существования макроскопической квантовой когерентности при относительно высоких температурах — что ранее считалось крайне затруднительным.
Чтобы объяснить это явление, учёный предлагает представить себе стаю рыб, движущихся синхронно, или одновременное мигание светлячков — примеры скоординированного поведения в природе. В квантовой физике подобная согласованность между частицами называется макроскопическим квантовым фазовым переходом. В этом состоянии множество квантов действуют как единая система, обладающая необычными свойствами, такими как сверхпроводимость или сверхтекучесть.
До настоящего времени подобные эффекты удавалось достичь только при экстремально низких температурах, так как тепловой шум разрушает квантовую синхронизацию. Однако новое исследование демонстрирует возможность обхода этого ограничения.
В качестве модельного материала для экспериментов использовался перовскит — минерал на основе титаната кальция (CaTiO₃), открытый в 1839 году на Урале и названный в честь русского государственного деятеля Льва Перовского. Благодаря своим уникальным свойствам, перовскит продолжает играть важную роль в исследованиях в области квантовых технологий.
В своём предыдущем исследовании Кенан Гундогду и его команда установили, что атомная структура определённых гибридных перовскитов способна экранировать квантовые частицы от тепловых колебаний достаточно долго, чтобы в материале мог произойти квантовый фазовый переход. Это возможно благодаря формированию так называемых больших поляронов — групп атомов, связанных с электронами, которые изолируют излучающие диполи от теплового шума и обеспечивают условия для сверхфлуоресценции.
В новом исследовании учёные раскрыли, как именно работает этот защитный механизм. При облучении гибридного перовскита лазером и возбуждении электронов, исследователи зафиксировали объединение поляронов в более крупные структуры — солитоны. Эти солитоны возникают только тогда, когда плотность возбужденных поляронов в материале достигает определенного порогового значения. При низкой плотности остаются лишь отдельные, неупорядоченные поляроны, а при достижении критической концентрации они начинают вести себя как единое когерентное образование — солитон.
Для наглядности этот процесс можно сравнить с тканью, натянутой между двумя опорами, где ткань символизирует кристаллическую решётку. Если рассыпать по ней шарики (поляроны), они сначала продавят её в разных точках. Однако если их собрать в одну область, деформация ткани станет значительно сильнее — аналогично тому, как поляронный солитон изменяет поведение материала и способствует возникновению квантовых эффектов, таких как сверхфлуоресценция. Хотя о сверхпроводимости и сверхтекучести пока говорить рано, исследователи считают, что заложены основы и для этих явлений.
"В наших экспериментах мы непосредственно измерили эволюцию группы поляронов от некогерентной некоррелированной фазы к упорядоченной. Это одно из первых в мире прямых наблюдений формирования макроскопического квантового состояния", — рассказала Мелике Билироглу, научный сотрудник Университета Северной Каролины и соавтор публикации.
Для проверки гипотезы о подавлении тепловых шумов при формировании солитона, команда провела расчёты совместно с Фолькером Блюмом, доцентом университета Дьюка. Учёные смоделировали колебания кристаллической решетки, вызывающие тепловой шум, и доказали, что солитон действительно экранирует это воздействие.
Также в исследовании участвовал профессор Василий Темнов из Политехнической школы Парижа. Он занимался моделированием рекомбинационной динамики солитона в условиях тепловых флуктуаций. Совместная работа подтвердила экспериментальные данные и показала, что солитон сохраняет внутреннюю когерентность, несмотря на внешние возмущения.
Учёные надеются, что это открытие приблизит возможность получения и других квантовых состояний вещества — таких как сверхпроводимость и сверхтекучесть — при комнатной температуре.
Исследования проводились международной группой учёных под руководством специалистов из Университета штата Северная Каролина. В проекте также участвовали исследователи из Университета Дьюка, Бостонского университета и Политехнического института Парижа.
Профессор физики Кенан Гундогду из Университета Северной Каролины отметил, что исследователям удалось как экспериментально, так и теоретически подтвердить возможность существования макроскопической квантовой когерентности при относительно высоких температурах — что ранее считалось крайне затруднительным.
Чтобы объяснить это явление, учёный предлагает представить себе стаю рыб, движущихся синхронно, или одновременное мигание светлячков — примеры скоординированного поведения в природе. В квантовой физике подобная согласованность между частицами называется макроскопическим квантовым фазовым переходом. В этом состоянии множество квантов действуют как единая система, обладающая необычными свойствами, такими как сверхпроводимость или сверхтекучесть.
До настоящего времени подобные эффекты удавалось достичь только при экстремально низких температурах, так как тепловой шум разрушает квантовую синхронизацию. Однако новое исследование демонстрирует возможность обхода этого ограничения.
В качестве модельного материала для экспериментов использовался перовскит — минерал на основе титаната кальция (CaTiO₃), открытый в 1839 году на Урале и названный в честь русского государственного деятеля Льва Перовского. Благодаря своим уникальным свойствам, перовскит продолжает играть важную роль в исследованиях в области квантовых технологий.
В своём предыдущем исследовании Кенан Гундогду и его команда установили, что атомная структура определённых гибридных перовскитов способна экранировать квантовые частицы от тепловых колебаний достаточно долго, чтобы в материале мог произойти квантовый фазовый переход. Это возможно благодаря формированию так называемых больших поляронов — групп атомов, связанных с электронами, которые изолируют излучающие диполи от теплового шума и обеспечивают условия для сверхфлуоресценции.
В новом исследовании учёные раскрыли, как именно работает этот защитный механизм. При облучении гибридного перовскита лазером и возбуждении электронов, исследователи зафиксировали объединение поляронов в более крупные структуры — солитоны. Эти солитоны возникают только тогда, когда плотность возбужденных поляронов в материале достигает определенного порогового значения. При низкой плотности остаются лишь отдельные, неупорядоченные поляроны, а при достижении критической концентрации они начинают вести себя как единое когерентное образование — солитон.
Для наглядности этот процесс можно сравнить с тканью, натянутой между двумя опорами, где ткань символизирует кристаллическую решётку. Если рассыпать по ней шарики (поляроны), они сначала продавят её в разных точках. Однако если их собрать в одну область, деформация ткани станет значительно сильнее — аналогично тому, как поляронный солитон изменяет поведение материала и способствует возникновению квантовых эффектов, таких как сверхфлуоресценция. Хотя о сверхпроводимости и сверхтекучести пока говорить рано, исследователи считают, что заложены основы и для этих явлений.
"В наших экспериментах мы непосредственно измерили эволюцию группы поляронов от некогерентной некоррелированной фазы к упорядоченной. Это одно из первых в мире прямых наблюдений формирования макроскопического квантового состояния", — рассказала Мелике Билироглу, научный сотрудник Университета Северной Каролины и соавтор публикации.
Для проверки гипотезы о подавлении тепловых шумов при формировании солитона, команда провела расчёты совместно с Фолькером Блюмом, доцентом университета Дьюка. Учёные смоделировали колебания кристаллической решетки, вызывающие тепловой шум, и доказали, что солитон действительно экранирует это воздействие.
Также в исследовании участвовал профессор Василий Темнов из Политехнической школы Парижа. Он занимался моделированием рекомбинационной динамики солитона в условиях тепловых флуктуаций. Совместная работа подтвердила экспериментальные данные и показала, что солитон сохраняет внутреннюю когерентность, несмотря на внешние возмущения.
Учёные надеются, что это открытие приблизит возможность получения и других квантовых состояний вещества — таких как сверхпроводимость и сверхтекучесть — при комнатной температуре.
