Учёные «замораживают» квантовое движение с помощью лазерного трюка: открытие откроет путь к новым технологиям

Команда учёных из Гарвардского университета и Швейцарского института Пауля Шеррера (PSI) впервые продемонстрировала возможность стабилизировать кратковременные квантовые состояния в материалах, используя сверхкороткие рентгеновские импульсы от лазера SwissFEL. Результаты опубликованы в журнале Nature Materials. Квантовые материалы могут проявлять уникальные свойства — от сверхпроводимости до высокоемких аккумуляторов. Однако эти свойства часто «спят» в естественном состоянии вещества и возникают лишь при внешнем возбуждении, например, при облучении светом.

Проблема в том, что такие световые возбуждённые состояния крайне нестабильны — они существуют всего несколько пикосекунд (триллионных долей секунды), что затрудняет их практическое использование. Чтобы решить эту проблему, учёные изучили соединение Sr₁₄Cu₂₄O₄₁ — так называемую «лестничную» купратную структуру. В этом соединении медь и кислород образуют цепочки и лестницы атомов, создавая почти одномерную структуру, идеальную для наблюдения квантовых явлений. Команда смогла вызвать и стабилизировать «метастабильное» квантовое состояние, которое сохранялось на протяжении нескольких наносекунд — что примерно в тысячу раз дольше обычного.

Как это работает?

В нормальном состоянии симметрия электронной структуры мешает заряду перемещаться между цепочками и лестницами. Но точно сфокусированный лазерный импульс временно нарушает эту симметрию, позволяя электронам квантово «туннелировать» в другое состояние. После отключения лазера симметрия восстанавливается, и система «застревает» в новом квантовом состоянии — достаточно долгом, чтобы его можно было изучить.

Для анализа процесса учёные использовали метод временнó разрешённого резонансного непружного рентгеновского рассеяния (tr-RIXS), который позволяет отслеживать динамику движения электронов, магнитных и орбитальных возбуждений в реальном времени. Эксперимент проводился на новой станции Furka установки SwissFEL, где удалось впервые зафиксировать столь продолжительное существование возбужденного электронного состояния.

Значение для технологий будущего

Это исследование представляет собой важный шаг к управлению квантовыми состояниями вне равновесия. Способность стабилизировать такие состояния открывает дорогу к созданию материалов с настраиваемыми функциями, которые смогут использоваться в ультрабыстрых оптоэлектронных устройствах, фотонных вычислениях и даже квантовой передаче информации.

«Мы теперь можем проектировать материалы, в которых квантовые состояния будут не просто появляться, а сохраняться достаточно долго для использования», — говорит Харри Падма, один из авторов исследования. В перспективе это также открывает возможность создания энергонезависимой памяти, в которой данные будут храниться в квантовых состояниях, индуцированных светом.

• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции