Квантовое расстояние — это мера квантово-механического сходства между двумя квантовыми состояниями. Квантовое расстояние, равное единице, означает, что два квантовых состояния одинаковы, а квантовое расстояние, равное нулю, означает, что они полностью противоположны. Физики ввели это понятие в теоретическую науку давно, но его значение в физике стало всё более признанным 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 соседними 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 для 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 инженерии зон проводимости при физическом факультете 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 Бём-Джун Ян с Сунчжэ Ким и Ютин 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 вклада 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 синхротронное излучение 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.
Нанофотоника: прорыв в управлении светом
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, теперь точно достигла этого прорыва вместе с партнёрами из Университета Монаш в Австралии. Как сообщают исследователи в журнале Nature, они разработали новый метод управления связью между нанорезонаторами и светом целенаправленным образом в ультрабыстром масштабе времени.
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 были приданы разные геометрические формы — другими словами, они были асимметричны. Ключевой вывод: хотя стержни геометрически отличаются, 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 различными длинами волн и поляризациями. 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 генерируем 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».
В дополнение к численному проектированию и последующему изготовлению 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 ультрабыстрые процессы и наблюдать в реальном времени, как резонанс появляется в течение пикосекунд, а затем снова исчезает», — говорит Леонардо де С. Менезеш, который руководил спектроскопическими экспериментами.
«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 различные 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 парадигма для активной нанофотоники. Более того, этот 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.
Предоставлено Университетом Людвига-Максимилиана в Мюнхене.
Больше из раздела «Оптика».