Учёные решили 90-летнюю головоломку квантовых затухающих гармонических осцилляторов
Группа учёных из Кореи и Японии открыла новый тип кристалла, который может «дышать» — многократно высвобождать и поглощать кислород при относительно низких температурах. Эта уникальная способность может изменить подход к разработке технологий чистой энергии, включая топливные элементы, энергосберегающие окна и интеллектуальные тепловые устройства.
Новый материал
Разработанный материал представляет собой особый вид оксида металла, состоящего из стронция, железа и кобальта. Его особенность заключается в том, что он может высвобождать кислород при нагревании в простой газовой среде, а затем вновь поглощать его, не разрушаясь. Этот процесс можно повторять многократно, что делает материал идеальным для практического применения.
Исследование
Исследование под руководством профессора Хёнджин Джин из физического факультета Пусанского национального университета, Корея, и при участии профессора Хиромичи Охта из Научно-исследовательского института электронных наук Университета Хоккайдо, Япония, было опубликовано в журнале Nature Communications 15 августа 2025 года.
«Это как если бы мы дали кристаллу лёгкие, и он может вдыхать и выдыхать кислород по команде», — говорит профессор Джин. Контроль кислорода в материалах имеет решающее значение для таких технологий, как твердооксидные топливные элементы, которые производят электричество из водорода с минимальными выбросами.
Потенциал материала
До сих пор большинство материалов, способных контролировать кислород, были слишком хрупкими или работали только в суровых условиях, например, при чрезвычайно высоких температурах. Новый материал работает в более мягких условиях и остаётся стабильным.
Исследователи также показали, что материал может вернуться к своей первоначальной форме при повторном введении кислорода, доказав, что процесс полностью обратим. «Это важный шаг на пути к созданию умных материалов, которые могут адаптироваться в реальном времени», — говорит профессор Охта. «Потенциальные применения варьируются от чистой энергии до электроники и даже экологически чистых строительных материалов».
Предоставлено: Университет Хоккайдо
Решение головоломки квантовых затухающих гармонических осцилляторов
Когда мы дёргаем гитарную струну, она может вибрировать в течение нескольких секунд, прежде чем затихнуть. Качели на детской площадке, с которых убрали пассажира, постепенно остановятся. Это то, что физики называют «затухающими гармоническими осцилляторами», и это хорошо изучено с точки зрения законов движения Ньютона.
Но в крошечном мире атомов всё иначе — там действуют причудливые законы квантовой физики. Профессор Деннис Клафтерти из Университета Вермонта и его студент Нам Динх задались вопросом: существуют ли в атомном мире системы, которые ведут себя как вибрирующее движение гитарной струны в мире Ньютона? «Если да, то можем ли мы построить квантовую теорию затухающего гармонического осциллятора?» — задался вопросом Клафтерти.
В исследовании, опубликованном 7 июля 2025 года в журнале Physical Review Research, он и Динх сделали именно это: нашли точное решение модели, которая ведёт себя как «затухающий квантовый гармонический осциллятор», то есть как гитарная струна на атомном уровне.
История вопроса
Оказывается, что примерно 90 лет теоретики пытались описать эти затухающие гармонические системы с помощью квантовой физики, но с ограниченным успехом. «Сложность заключается в сохранении принципа неопределённости Гейзенберга, основополагающего принципа квантовой физики», — говорит Клафтерти, профессор физики в UVM с 1992 года.
В отличие от мира людей, например, прыгающих мячей или взлетающих ракет, знаменитый принцип неопределённости Гейзенберга показывает, что существует фундаментальный предел точности, с которой можно одновременно знать положение и импульс частицы. В масштабе атома, чем точнее измеряется одно свойство, тем менее точно можно измерить другое.
Модель, изученная физиками из UVM, была первоначально построена британским физиком Горасом Лэмбом в 1900 году, ещё до рождения Вернера Гейзенберга и задолго до развития квантовой физики. Лэмб интересовался описанием того, как вибрирующая частица в твёрдом теле может терять энергию. Используя законы движения Ньютона, Лэмб показал, что упругие волны, создаваемые движением частицы, воздействуют на саму частицу и вызывают её затухание — то есть вибрацию с меньшей и меньшей энергией с течением времени.
«В классической физике известно, что при вибрации или колебаниях объекты теряют энергию из-за трения, сопротивления воздуха и так далее», — говорит Динх. «Но это не так очевидно в квантовом режиме».
Клафтерти и Динх (который окончил UVM в 2024 году со степенью бакалавра по физике, в 2025 году со степенью магистра и сейчас получает докторскую степень по математике в UVM) переформулировали модель Лэмба для квантового мира и нашли её решение.
«Чтобы сохранить принцип неопределённости, необходимо подробно учитывать взаимодействие атома со всеми другими атомами в твёрдом теле», — объясняет Клафтерти. «Это так называемая задача многих тел».
Предоставлено: Университет Вермонта
Больше из раздела: Квантовая физика