Как работает квантовая интерференция
Подобно тому как на поверхности пруда перекрывающиеся волны могут усиливать или гасить друг друга, волны разных видов — включая свет, звук и атомные вибрации — могут интерферировать друг с другом. На квантовом уровне этот вид интерференции обеспечивает работу высокоточных датчиков и может быть использован для квантовых вычислений.
Новое исследование
В новом [исследовании, опубликованном](https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw1800) в Science Advances, учёные из Университета Райса и их коллеги продемонстрировали сильную форму интерференции между фононами — вибрациями в структуре материала, которые представляют собой мельчайшие единицы (кванты) тепла или звука в этой системе. Явление, при котором два фонона с разными частотными распределениями интерферируют друг с другом, известное как резонанс Фано, было на два порядка больше, чем сообщалось ранее.
Кунъян Чжан, бывший научный сотрудник Университета Райса и первый автор исследования, сказал: «Хотя это явление хорошо изучено для таких частиц, как электроны и фотоны, интерференция между фононами изучена гораздо меньше». Он добавил, что это упущенная возможность, поскольку фононы могут сохранять своё волновое поведение в течение длительного времени, что делает их перспективными для создания стабильных высокопроизводительных устройств.
Прорыв в использовании фононов
Показав, что фононы можно использовать так же эффективно, как свет или электроны, исследование открывает путь для нового поколения технологий на основе фононов. Прорыв команды основан на использовании двумерного металла поверх базы из [карбида кремния](https://phys.org/tags/silicon+carbide/). Используя технику, называемую гетероэпитаксией с ограничением, исследователи внедрили всего несколько слоёв атомов серебра между слоем графена и карбидом кремния, создав плотно связанную границу раздела с замечательными квантовыми свойствами.
«Двумерный металл запускает и усиливает интерференцию между различными режимами колебаний в карбиде кремния, достигая рекордных уровней», — сказал Чжан.
Изучение интерференции фононов
Исследовательская группа изучила, как фононы интерферируют друг с другом, рассмотрев форму их сигнала в рамановской спектроскопии — методе, который измеряет колебательные моды материала. Спектр выявил резко асимметричную форму линии, а в некоторых случаях показал полное падение, образуя антирезонансный узор, характерный для интенсивной интерференции.
Эффект оказался очень чувствительным к особенностям поверхности карбида кремния. Сравнение трёх различных завершений поверхности карбида кремния выявило чёткую связь между каждой поверхностью и её уникальной рамановской формой линии. Более того, когда исследователи ввели на поверхность одну молекулу красителя, форма спектральной линии резко изменилась.
«Эта интерференция настолько чувствительна, что может обнаружить присутствие одной молекулы», — сказал Чжан. «Это позволяет обнаруживать отдельные молекулы без меток с помощью простой и масштабируемой установки. Наши результаты открывают новый путь для использования фононов в квантовых датчиках и в детекторах молекул следующего поколения».
Динамика эффекта при низких температурах
Исследуя динамику эффекта при низких температурах, исследователи подтвердили, что интерференция обусловлена исключительно взаимодействиями фононов, а не электронов, что является редким случаем квантовой интерференции, обусловленной только фононами. Эффект наблюдался только в конкретной системе двумерный металл/карбид кремния, использованной в исследовании, и отсутствует в обычных объёмных металлах. Это связано со специальными путями перехода и конфигурациями поверхности, обеспечиваемыми атомарно тонким слоем металла.
Перспективы использования других двумерных металлов
В исследовании также изучалась возможность использования других двумерных металлов, таких как галлий или индий, для индуцирования подобных эффектов. Путем точной настройки химического состава этих интеркалированных слоёв исследователи могут создавать индивидуальные интерфейсы с заданными квантовыми свойствами.
Шэнси Хуан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии в Университете Райса и соавтор исследования, сказал: «По сравнению с обычными датчиками наш метод обеспечивает высокую чувствительность без необходимости использования специальных химических меток или сложной настройки устройства».
«Этот подход, основанный на фононах, не только продвигает молекулярное зондирование, но и открывает захватывающие возможности в области преобразования энергии, управления температурным режимом и квантовых технологий, где контроль вибраций имеет ключевое значение».
Предоставлено [Университетом Райса](https://phys.org/partners/rice-university/)