Квантовое расстояние — это мера квантово-механического сходства между двумя квантовыми состояниями. Квантовое расстояние, равное единице, означает, что два квантовых состояния идентичны, а квантовое расстояние, равное нулю, — что они полностью противоположны. Физики ввели это понятие в теоретическую науку давно, но его важность в физике стала признаваться только в последнее время.
В последние годы многие экспериментальные физики пытались измерить квантовое расстояние электронов в реальных твёрдых материалах, но прямое измерение квантового расстояния и, следовательно, квантового метрического тензора — ключевой геометрической величины в современной физике, определённой через расстояние между близкими квантовыми состояниями — до сих пор оставалось недостижимым.
Поскольку квантовый метрический тензор имеет большое значение для объяснения и понимания фундаментальных физических явлений в твёрдых телах, крайне важно разработать эффективную методологию его прямого измерения в твердотельных системах.
Прорыв в теоретической и экспериментальной квантовой физике
Международная группа исследователей из Республики Корея и США под руководством профессора Кима, выдающегося профессора физики и директора Центра проектирования зон проводимости физического факультета Университета Ёнсе в Республике Корея, сообщила о первом экспериментальном измерении квантового расстояния. Их результаты были опубликованы в журнале Science 5 июня 2025 года.
Исследование проводилось в тесном сотрудничестве между экспериментальной группой под руководством профессора Кима с Юна Чун и Субин Парк в Университете Ёнсе и теоретической группой под руководством профессора Бом-Джун Ян с Сун Чжэ Ким и Ютинг Цянь в Сеульском национальном университете.
По словам профессора Кима, теоретическая группа обнаружила, что один из элементарных слоистых кристаллов, чёрный фосфор, является идеальным материалом для изучения квантового расстояния электронов благодаря своей структурной простоте. На основе этого вывода экспериментальная группа измерила квантовое расстояние электронов в чёрном фосфоре, используя распределение импульса в пространстве псевдоспиновой текстуры валентной зоны из зависимости поляризации от угла спектроскопии с разрешением по энергии и синхротронного излучения через передовой источник света в США.
Таким образом, исследователи впервые успешно измерили полные квантовые метрические тензоры блоховских электронов в твёрдых телах в чёрном фосфоре.
«Измерение квантового расстояния имеет фундаментальное значение не только для понимания аномальных квантовых явлений в твёрдых телах, включая такие особые, как сверхпроводники, но и для развития наших квантовых наук и технологий. Например, точное измерение квантовых расстояний поможет разработать отказоустойчивые технологии квантовых вычислений», — объясняет профессор Ким.
Понимание материалов на квантово-механическом уровне имеет фундаментальное значение, и квантовое расстояние является одним из краеугольных камней, с помощью которых мы можем полностью понять сложные квантовые явления в твёрдых телах. Такие исследования приведут нас к более совершенным полупроводниковым технологиям, сверхпроводникам с более высокой температурой перехода и превосходным квантовым компьютерам по сравнению с обычными компьютерами.
В целом, ожидается, что эта работа даст представление о квантово-геометрических реакциях в широком классе кристаллических систем и в конечном итоге проложит путь к будущему, основанному на квантовых технологиях.
Ультрабыстрый переключатель света с помощью асимметричных кремниевых метаповерхностей в нанофотонике
В нанофотонике используются крошечные структуры для управления светом на наноуровне и придания ему полезности для технологических приложений. Ключевым элементом здесь являются оптические резонаторы, которые улавливают и усиливают свет определённой длины волны.
Предыдущие методы управления этими резонансами были больше похожи на диммер: можно было ослабить резонанс или слегка сдвинуть его цвет. Однако настоящее включение и выключение было невозможно, поскольку резонаторы всегда оставались фундаментально связанными со светом.
Команда под руководством Андреаса Титтля, профессора экспериментальной физики в LMU, вместе с партнёрами из Университета Монаша в Австралии достигла этого прорыва. Как сообщают исследователи в журнале Nature, они разработали новый метод целенаправленного управления связью между нанорезонаторами и светом на сверхбыстрых временных масштабах.
Ключ заключается в гениальном дизайне так называемых метаповерхностей — ультратонких слоёв, которые включают специально расположенные наноструктуры. Исследователи разработали и создали структуры, каждая из которых состояла из двух крошечных кремниевых стержней, которым намеренно приданы разные геометрические формы — другими словами, они были асимметричны.
Ключевой вывод: хотя стержни геометрически различны, их оптические отклики на определённую длину волны света точно компенсируют друг друга. Это означает, что структура физически присутствует, но остаётся «невидимой» для света; резонанс «выключен».
Именно эта асимметрия позволяет осуществлять процедуру переключения. Поскольку два наностержня различаются, они по-разному реагируют на свет с разной длиной волны и поляризацией. Физики использовали это, намеренно возбудив один из двух наностержней ультракоротким лазерным импульсом длительностью 200 фемтосекунд. Это временно изменило его оптические характеристики, нарушило тонкий баланс и вызвало внезапное взаимодействие резонанса со светом — он был «включён».
«Центральным элементом нашей работы является намеренное нарушение симметрии на чрезвычайно коротких временных масштабах», — говорит Титтл. «Мы создаём идеальный оптический баланс в структурно асимметричной системе. Намеренно нарушая этот баланс с помощью лазерного импульса, мы получаем совершенно новый уровень свободы для управления взаимодействием света и вещества. Мы можем генерировать резонанс по желанию, подавлять его или точно настраивать его полосу пропускания, как с помощью ручки управления».
Помимо численного проектирования и последующего изготовления метаповерхностей в чистой комнате, оптическое измерение их временного поведения также представляло серьёзную задачу.
«Только с помощью нашего подхода к спектроскопии с временным разрешением мы смогли экспериментально зафиксировать эти сверхбыстрые процессы и наблюдать в реальном времени, как резонанс появляется в течение пикосекунд, а затем снова исчезает», — говорит Леонардо де С. Менезеш, который отвечал за спектроскопические эксперименты.
«Наши измерения показали огромное увеличение связи со светом, при этом в самом материале практически не было нежелательных энергетических потерь. Это стало окончательным доказательством того, что наш подход к временному нарушению симметрии работает точно так, как было предсказано».
В своих экспериментах, в основном проведённых двумя ведущими авторами, Андреасом Айгнером и Томасом Поссмайером, команда продемонстрировала четыре различных операции переключения: генерацию резонанса из «тёмного» состояния; полное подавление существующего резонанса; и целенаправленное расширение и сужение профиля резонанса. В случае сужения исследователи смогли увеличить добротность резонанса — меру его качества — более чем на 150%.
Способность напрямую управлять связью со светом — это сдвиг парадигмы для активной нанофотоники. Более того, принцип не ограничивается кремнием, но может быть легко распространён на другие материалы и даже более быстрые механизмы переключения, что ещё больше расширяет потенциал для будущих приложений. Точный контроль над наличием и отсутствием резонансов может позволить не только создавать оптические переключатели с низкими потерями для телекоммуникаций или оптической обработки данных, но и продвинуть исследования сложных квантовых явлений, таких как так называемые временные кристаллы.