Физики разрабатывают новую квантовую теорию индуцированной светом материи

Вы знакомы с состояниями материи, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, такими как твердое, жидкое и газообразное, но в более экзотических и экстремальных условиях могут появляться новые состояния, и ученые из США и Китая только что обнаружили его.

Ученые называют это хиральным бозе-жидким состоянием, и, как и в случае с каждым новым расположением частиц, которое мы обнаруживаем, оно может рассказать нам больше о ткани и механизмах Вселенной вокруг нас — и, в частности, в сверхмалом квантовом масштабе.

Состояния материи описывают, как частицы могут взаимодействовать друг с другом, порождая структуры и различные способы поведения. Зафиксируйте атомы на месте, и вы получите твердое тело. Дайте им стечь, у вас появится жидкость или газ. Зарядите соседние атомы, а затем разделите - у вас появится плазма.

Квантовый ландшафт предоставляет еще более странные способы взаимодействия частиц, обеспечивая уникальное поведение, которое лучше всего описывается с точки зрения возможностей и энергии.

Исследователи обнаружили новое состояние с помощью расстроенной квантовой системы. Проще говоря, это система со встроенными ограничениями, которые не позволяют частицам взаимодействовать так, как они обычно.

Система, которую собрали исследователи, представляла собой полупроводниковое устройство с двумя слоями: верхний слой, богатый электронами, и нижний слой с множеством доступных отверстий для естественного перемещения электронов.

Хотя такую систему по-прежнему трудно наблюдать, команда использовала сверхсильное магнитное поле для измерения того, как двигаются электроны, что выявило первые свидетельства нового хирального состояния бозе-жидкости.

«На краю полупроводникового бислоя электроны и дырки движутся с одинаковыми скоростями», — говорит физик Линцзе Ду из Нанкинского университета в Китае.

«Это приводит к спиралеподобному переносу, который может дополнительно модулироваться внешними магнитными полями, поскольку электронные и дырочные каналы постепенно разделяются под более высокими полями».

Это новое состояние выявило некоторые довольно интересные свойства. Например, электроны будут замерзать в предсказуемом паттерне и фиксированном направлении вращения при абсолютном нуле и не могут быть затронуты другими частицами или магнитными полями. Эта стабильность может найти применение в цифровых системах хранения данных квантового уровня.

Более того, внешние частицы, влияющие на один электрон, могут влиять на все электроны в системе благодаря относительно большой квантовой запутанности. Это похоже на то, как если бы биток разбился о пачку бильярдных шаров, и все эти шары в ответ движутся в одном направлении - еще одно открытие, которое может быть полезным.

Хотя все это связано с физикой очень высокого уровня, каждое открытие, подобное этому, — эти причуды и крайние случаи, которые происходят за пределами общих взаимодействий частиц — приближает нас к полному пониманию нашего мира.

Подробнее https://www.nature.com/articles/s41586-023-06065-w 🔗

Параллельно, ещё одна команда, возглавляемая физиком из Городского университета Гонконга (CityU), недавно разработала новую квантовую теорию, которая объясняет «индуцированную светом фазу» материи и предсказывает ее новые функциональные возможности. Новая теория может произвести революцию в области квантовой фотоники и квантового управления при комнатной температуре. Это также открывает двери для множества приложений следующего поколения, основанных на свете, таких как оптическая связь, квантовые вычисления и технологии сбора света.

Схематическая иллюстрация спектроскопии с временным разрешением для светоиндуцированной фазы молекул, предложенной на основе новой квантовой теории. Эмиссионный сигнал собирается в детекторе после лазерных импульсов, которые возбуждают молекулы, давая многомерное изображение динамики экситона в области реального времени. Предоставлено: Доктор Чжэдун Чжан / Городской университет Гонконга

Ученые обнаружили экзотические фазы в веществе, помимо обычных, известных как твердая, жидкая и газовая фазы. И в разных фазах, в которых атомы претерпевают определенные расположения в пространстве, материя может иметь разные свойства. Как одна из категорий недавно обнаруженных фаз, индуцированные светом фазы привлекли большое внимание ученых в последнее десятилетие, поскольку они рассматривались как многообещающая платформа для новых фотоэлектрических панелей и новых химических платформ, а также новый путь для современных квантовых технологий.

«Сверхбыстрые процессы фотоактивных молекул, такие как перенос электронов и перераспределение энергии, которые обычно происходят в фемтосекундном масштабе (10-15s), имеют большое значение для светособирающих устройств, преобразования энергии и квантовых вычислений», — объяснил доктор Чжан Чжэдун, доцент кафедры физики в CityU, который руководил исследованием. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters под названием «Многомерная когерентная спектроскопия для молекулярных поляритонов: подход Ланжевена».

«Однако исследования этих процессов полны неясностей. Большинство существующих теорий, связанных со световыми фазами, ограничены временными и энергетическими масштабами и поэтому не могут объяснить переходные свойства и сверхбыстрые процессы молекул, когда в игру вступают короткие лазерные импульсы. Это накладывает фундаментальный предел для изучения индуцированных светом фаз материи», — сказал доктор Чжан.

Чтобы справиться с этими трудностями, доктор Чжан и его сотрудники разработали новую квантовую теорию оптических сигналов индуцированных светом фаз молекул, которая является первой в мире. Новая теория посредством математического анализа в сочетании с численным моделированием объясняет динамику возбужденного состояния и оптические свойства молекул в режиме реального времени, преодолевая узкие места, возникающие в результате существующих теорий и методов.

Новая теория интегрирует передовую квантовую электродинамику в сверхбыструю спектроскопию. Он использует современную алгебру для объяснения нелинейной динамики молекул, что закладывает основу для разработки современных технологических приложений для лазеров и определения характеристик материалов. Таким образом, он предлагает новые принципы оптического детектирования и квантовой метрологии.

«Что особенно интересно в нашей новой теории, так это то, что кооперативное движение кластера молекул демонстрирует волнообразное поведение, которое распространяется на расстояние. Это было недостижимо в обычных исследованиях. И это коллективное движение может существовать при комнатной температуре, а не только при сверхнизкой, криогенной температуре. Это означает, что точный контроль и распознавание движения частиц может быть осуществимо при комнатной температуре. Это может открыть новые рубежи исследований, таких как коллективная химия, которая потенциально может произвести революцию в изучении фотохимии», — сказал доктор Чжан.

Новая квантовая теория облегчает разработку светособирающих и излучающих устройств следующего поколения, а также работу и обнаружение лазеров. Когерентность, возникающая из индуцированной светом молекулярной кооперативности, может привести к яркому излучению света. Спектроскопические зонды светоиндуцированной фазы материи в исследовании могут помочь использовать методы оптического зондирования следующего поколения и квантовую метрологию.

В более широком масштабе светоиндуцированные фазы могут обеспечить множество новых междисциплинарных применений, основанных на свете, таких как оптическая связь, биологическая визуализация, управление химическим катализом и назначение светособирающих устройств энергоэффективным образом.

В ближайшем будущем исследователи планируют исследовать индуцированные светом фазы и их влияние на квантовые материалы, а также разработать новые спектроскопические методы и детектирования в контексте квантовой запутанности.

Подробнее:

Zhedong Zhang et al, Multidimensional Coherent Spectroscopy of Molecular Polaritons: Langevin Approach, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.103001 🔗