Ученые заставили хаотичные квантовые спины самоорганизоваться для генерации долгоживущих микроволн
Группа исследователей продемонстрировала, что квантовые частицы могут не просто давать кратковременный всплеск излучения, а самоподдерживать сверхизлучение, производя последовательность стабильных микроволновых импульсов без какого-либо внешнего источника энергии. Этот эффект, ранее считавшийся мгновенным и неуправляемым, открывает новые перспективы для создания устройств квантовых технологий.
Долгое время ярким примером коллективного поведения квантовых частиц являлось суперрадиантное излучение (сверхизлучение), при котором множество частиц, например атомных спинов, синхронизируются и испускают энергию совместно, создавая мощный всплеск. Однако этот всплеск энергии почти мгновенно затухал, что делало эффект непрактичным для реальных приложений. Теперь международная команда ученых из Технического университета Вены и Института науки и технологий Окинавы доказала, что это ограничение можно преодолеть.
Эксперимент был построен на основе алмазного кристалла, содержащего плотный ансамбль азотно-замещенных вакансий (NV-центров). Каждый такой дефект в кристаллической решетке алмаза обладает электронным спином, который можно переключать между квантовыми состояниями. Кристалл поместили в микроволновый резонатор, усиливающий взаимодействие спинов с излучением. После начального возбуждения система, как и ожидалось, выдала мощный сверхизлучательный всплеск. Однако вслед за этим произошло неожиданное: вместо того чтобы погаснуть, система начала генерировать серию узких, долгоживущих микроволновых импульсов.
Как отмечают авторы исследования, после первого быстрого всплеска наблюдался целый ряд последующих импульсов излучения, переходящих в квазинепрерывное мазерное излучение, которое длилось до одной миллисекунды. Это значительное время для квантовых процессов. Крупномасштабное компьютерное моделирование позволило понять механизм. Оказалось, что взаимодействия между спинами внутри алмаза динамически перераспределяли энергетические уровни системы, постоянно «перетасовывая» энергию между собой и снова и снова запуская новые акты излучения. Этот процесс получил название самоиндуцированного суперрадиантного мазерного эффекта.
Таким образом, те самые взаимодействия, которые традиционно рассматривались как источник шума и разрушения когерентности, в данной конфигурации выступили в противоположной роли — они самоорганизовали спины, создав чрезвычайно стабильный и когерентный микроволновый сигнал. Как подчеркнул ведущий исследователь Венцель Керстен, система самоорганизуется, производя высококогерентный микроволновый сигнал из самого хаоса, который обычно его разрушает.
Открытие имеет фундаментальное значение, меняя представление о квантовых взаимодействиях, которые теперь можно рассматривать не как помеху, а как ресурс. С практической точки зрения стабильные самоподдерживающиеся микроволновые сигналы критически важны для атомных часов, навигационных систем, радаров и коммуникационных сетей. Принципы, лежащие в основе эффекта, также могут улучшить квантовые сенсоры для детектирования малейших изменений магнитных или электрических полей, что найдет применение в медицинской визуализации, материаловедении и мониторинге окружающей среды. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение универсальности эффекта для других квантовых платформ и на точную настройку параметров генерируемого излучения.
Исследование в журнале Nature Physics.