Физики из Института Макса Планка по структуре и динамике материи (MPSD) в Гамбурге обнаружили новую форму квантового поведения. В кристаллах Кагоме — названных так по аналогии с традиционным японским плетением из бамбука — электроны, которые обычно ведут себя как шумная толпа, внезапно синхронизируются, образуя коллективную «песню», которая меняется в зависимости от формы кристалла.
Исследование опубликовано в Nature. Оно показывает, что геометрия сама по себе может настраивать квантовую когерентность, открывая новые возможности для разработки материалов, где форма определяет функцию.
Квантовая когерентность
Квантовая когерентность — способность частиц двигаться синхронно, как перекрывающиеся волны — обычно ограничена экзотическими состояниями, такими как сверхпроводимость, где электроны объединяются в пары и когерентно текут. В обычных металлах столкновения быстро разрушают такую когерентность.
Но в кагоме-металле CsV₃Sb₅ после создания крошечных кристаллических столбиков всего в несколько микрометров в поперечнике и применения магнитных полей команда MPSD наблюдала осцилляции, подобные эффекту Ааронова — Бома, в электрическом сопротивлении. Это показало, что электроны интерферируют коллективно, оставаясь когерентными гораздо дольше, чем это позволило бы поведение отдельных частиц.
«Это не то, что должны уметь делать невзаимодействующие электроны, — говорит Чунъюй Го, ведущий автор исследования. — Это указывает на когерентное многочастичное состояние».
Влияние геометрии на квантовое поведение
Даже более удивительно, что колебания зависели от геометрии кристалла. Прямоугольные образцы меняли паттерны под прямыми углами, в то время как параллелограммы делали это под углами 60° и 120° — точно соответствуя их геометрии.
«Это как если бы электроны знали, находятся ли они в прямоугольнике или в параллелограмме, — объясняет Филипп Молл, ответственный директор MPSD. — Они поют в гармонии — и песня меняется в зависимости от пространства, в котором они находятся».
Открытие предполагает новый способ управления квантовыми состояниями: путём придания формы материалу. Если когерентность можно формировать, а не просто наблюдать, исследователи могли бы создавать материалы, которые ведут себя как настроенные инструменты — где структура, а не только химия, определяет их резонанс.
«Металлы Кагоме открывают нам взгляд на когерентность, которая одновременно устойчива и чувствительна к форме, — говорит Молл. — Это новый принцип проектирования, которого мы не ожидали».
Разработка квантовых технологий в лаборатории
Путь к реализации практических квантовых технологий начинается с понимания фундаментальной физики, которая управляет квантовым поведением — и того, как эти явления можно использовать в реальных материалах.
В лаборатории Ании Джейич, заведующей кафедрой науки и инженерии, квантовой науки и содиректором Национальной научно-исследовательской лаборатории квантовой основы Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, таким материалом является выращенный в лаборатории алмаз.
Работая на стыке материаловедения и квантовой физики, Джейич и её команда исследуют, как инженерные дефекты в алмазе, известные как спиновые кубиты, можно использовать для квантового зондирования. Среди выдающихся исследователей лаборатории — Лилиан Хьюз, которая недавно получила докторскую степень и вскоре начнёт постдокторскую работу в Калифорнийском технологическом институте. Она добилась значительного прогресса в этих усилиях.
В серии из трёх статей, написанных в соавторстве с Джейич — одна опубликована в Physical Review X (PRX) в апреле, а вторая и третья в Nature в октябре — Хьюз впервые демонстрирует, как можно упорядочить и запутать не только отдельные кубиты, но и двумерные ансамбли многих дефектов внутри алмаза.
Этот прорыв позволяет реализовать метрологический квантовый потенциал в твёрдом состоянии, знаменуя важный шаг на пути к следующему поколению квантовых технологий.
Спектральный шейпер формирует 10 000 лазерных гребёнок для обнаружения экзопланет и не только
Исследователи разработали новую технологию, которая может формировать спектр света, излучаемого лазерной частотной гребенкой, в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с большей точностью, чем это было возможно ранее. Этот прогресс может стать важным новым инструментом в поиске планет, подобных Земле, за пределами нашей солнечной системы.
При поиске экзопланет астрономы используют высокоточную спектроскопию для обнаружения крошечных сдвигов в звёздном свете, которые выявляют едва заметное «качание» звезды из-за орбиты планеты. Но для планет размером с Землю эти изменения длины волны меньше, чем естественные нестабильности спектрографа, поэтому лазерные частотные гребёнки — лазеры, излучающие тысячи равномерно расположенных спектральных линий — необходимы для обеспечения эталона, действующего как точные линейки длин волн.
«Для астрономов большой приз — найти планету с массой, подобной Земле, и вращающуюся вокруг звезды, подобной нашему солнцу, — сказал руководитель исследовательской группы Деррик Т. Рейд из Университета Хериота-Уотта в Великобритании. — Наш спектральный шейпер может сделать линии на лазерной частотной гребёнке более равномерными, что позволяет спектрографу обнаруживать меньшие звёздные движения, такие как движения планет, подобных Земле, которые в противном случае были бы скрыты в шуме».
В своей статье, опубликованной в Optica, исследователи показывают, что, используя свой новый метод спектральной обработки с лабораторным астрономическим спектрографом, они могут точно управлять 10 000 отдельными линиями света, что примерно в 10 раз превышает производительность по сравнению с предыдущими подходами.
Подтверждение сверхпроводимости при высокой температуре в лантанум никелате
Исследовательская группа под руководством профессора Лю Сяодо из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук вместе с исследователями из Университета Цзилинь и Университета Сунь Ятсена достигла одновременного обнаружения нулевого электрического сопротивления и эффекта Мейсснера в монокристаллах лантанум никелата (La₃Ni₂O₇−δ) под высоким давлением.
Исследователи объединили квантовое зондирование с использованием алмазного центра азота-вакансии (NV) с электронными транспортными измерениями, чтобы предоставить однозначные доказательства высокотемпературной сверхпроводимости в этой системе никелатов. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Сверхпроводимость в La₃Ni₂O₇−δ была впервые зарегистрирована в 2023 году с помощью транспортных измерений, которые выявили нулевое сопротивление около 80 К. Однако для подтверждения сверхпроводимости требуется обнаружение диамагнетизма, или вытеснения магнитных полей — эффекта Мейсснера, который оставался неуловимым из-за технических проблем, связанных с высокотемпературными средами и небольшими объёмами сверхпроводящих фракций.
В этом исследовании исследователи интегрировали квантовую магнитометрию с центром NV с платформой с алмазной наковальней, что позволило проводить магнитное картирование микронного масштаба с пространственным разрешением в условиях высокого давления и низких температур.
В то же время были проведены четырёхконтактные измерения сопротивления на том же кристалле для обеспечения согласованности экспериментальных условий. Этот двойной подход позволил команде напрямую соотнести локализованные диамагнитные отклики с областями нулевого сопротивления, тем самым предоставив убедительные доказательства объёмной сверхпроводимости в системе никелатов.
published in Nature, reveals that geometry itself can tune quantum coherence, opening new possibilities to develop materials where form defines function.»,»Quantum coherence—the ability of particles to move in synchrony like overlapping waves—is usually limited to exotic states such as superconductivity, where electrons pair up and flow coherently. In ordinary metals, collisions quickly destroy such coherence.»,»But in the Kagome metal CsV₃Sb₅, after sculpting tiny crystalline pillars just a few micrometers across and applying magnetic fields, the MPSD team observed Aharonov–Bohm-like oscillations in electrical resistance. Thus showing that electrons were interfering collectively, remaining coherent far beyond what single-particle physics would allow.»,»\»This is not what non-interacting electrons should be able to do,\» says Chunyu Guo, the study’s lead author. \»It points to a coherent many-body state.\»»,»Even more surprisingly, the oscillations depended on the crystal’s geometry. Rectangular samples switched patterns at right angles, while parallelograms did so at 60° and 120°—exactly matching their geometry. \»It’s as if the electrons know whether they’re in a rectangle or a parallelogram,\» explains Philip Moll, the responsible MPSD Director. \»They’re singing in harmony—and the song changes with the room they’re in.\»»,»The discovery suggests a new way to control quantum states: by sculpting the geometry of a material. If coherence can be shaped rather than merely observed, researchers could design materials that behave like tuned instruments—where structure, not just chemistry, defines their resonance. \»Kagome metals are giving us a glimpse of coherence that is both robust and shape-sensitive,\» says Moll. \»It’s a new design principle we didn’t expect.\»»,»The Kagome lattice has long intrigued scientists due to its intricate design of interwoven triangles and hexagons, which often geometrically frustrate electrons and give rise to exotic phases of matter.»,»The recent findings by the Hamburg team extends this effects from the atomic level to the scale of devices, demonstrating that geometry influences the collective quantum behavior of electrons. Much like a choir resonates differently in a cathedral than in a concert hall, electrons in these star-shaped crystals seem to produce a new sound—one influenced not just by the arrangement of atoms but also by their shape.»,»Currently, this phenomenon is limited to laboratory settings, where focused ion beams shape crystals into micrometer-sized pillars. However, the implications of this research are far-reaching. \»Once coherence can be shaped rather than merely discovered, the frontier of quantum materials could shift from chemistry to architecture,\» says Guo.»,»\»It opens a new avenue of designing quantum functionality for future electronics by reshaping material geometry.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tMax Planck Society\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник