Раби-подобное расщепление — одно из ключевых понятий в современной квантовой технологии. Полное понимание этого явления может помочь нам продвинуть наши знания в области квантовой обработки информации.
Доцент Ааканкша Суд (Университет Тохоку), доктор Кей Ямамото (JAEA), профессор Сигэми Мизуками (Университет Тохоку) и их коллеги обнаружили, что раби-подобное расщепление может быть достигнуто с помощью нелинейной связи, которая замечательно сохраняет симметрию системы. Этот результат открывает различные возможности для углубления нашего понимания нелинейной динамики и явлений связи в искусственном управлении.
Результаты были опубликованы в Physical Review Letters 20 июня 2025 года.
В квантовой физике при наличии связи между двумя гармоническими осцилляторами с идеальной частотой колебаний частота колебаний расщепляется на две различные частоты в связанной системе. Разница между этими двумя частотами называется раби-расщеплением.
Физика, стоящая за раби-расщеплением и связью колебаний, возникающих в искусственных магнитах, является популярной темой для исследований. Система обладает двумя пространственно однородными магнонными модами: синфазным режимом, напоминающим ферромагнитное поведение, и антифазным режимом с характерными антиферромагнитными свойствами.
Хотя частоты этих двух мод идентичны при некоторых условиях (выполняемых с помощью приложенного извне магнитного поля), для проявления раби-подобного расщепления требуется нарушение симметрии внутри системы. Однако текущее исследование нашло способ обойти это правило.
«Обычно вам нужно нарушить симметрию системы, чтобы достичь раби-подобного расщепления в искусственном магните», — объясняет Сигэми Мизуками. «Однако мы были в восторге, когда наши экспериментальные и теоретические исследования показали, что это может произойти при сохранении симметрии системы».
Для достижения этого исследователи использовали нелинейную связь. Они индуцировали нелинейную связь с большими радиочастотными токами, нацеленными на искусственный магнит. Этот метод позволяет контролировать манипулирование энергией между модами.
Эти результаты помогают углубить наше понимание нелинейной динамики и явлений связи в искусственном управлении и могут послужить основой для дальнейших исследований в этой области. Исследовательская группа планирует продолжить этот проект, непосредственно применив этот подход к устройствам, использующим высокоскоростную обработку сигналов.
Исследование проводилось под руководством WPI Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences (FRIS), Research Institute of Electrical Communication (RIEC), Center for Science and Innovation in Spintronics (CSIS) и Graduate School of Engineering at Tohoku University в сотрудничестве с Japan Atomic Energy Agency (JAEA) и University College London (UCL).
Оптические метаповерхности на основе хиральности кодируют два изображения
Используя концепцию хиральности, или различия формы от её зеркального отображения, учёные из EPFL создали оптическую метаповерхность, которая контролирует свет для обеспечения простой и универсальной техники для безопасного шифрования, зондирования и вычислений.
Представьте себе попытку надеть левую перчатку на правую руку: она не подойдёт, потому что левая и правая руки — зеркальные изображения, которые нельзя наложить друг на друга. Эта «рукость» — то, что учёные называют хиральностью, и она играет фундаментальную роль в биологии, химии и материаловедении. Большинство молекул ДНК и сахаров являются правовращающими, в то время как большинство аминокислот — левовращающими. Изменение хиральности молекулы может сделать питательное вещество бесполезным, а лекарство — неактивным и даже вредным.
Свет также может быть левовращающим или правовращающим. Когда луч света циркулярно поляризован, его электрическое поле закручивается в пространстве либо по левому, либо по правому винту. Поскольку хиральные структуры по-разному взаимодействуют с этими двумя типами закрученного света, освещение образца циркулярно поляризованным светом и сравнение того, сколько каждого завитка поглощается, отражается или задерживается, позволяет учёным считывать хиральность образца. Однако этот эффект чрезвычайно слаб, что делает точный контроль хиральности важной, но сложной задачей.
Теперь учёные из Лаборатории бионанофотонных систем в Инженерной школе EPFL совместно с учёными из Австралии создали искусственные оптические структуры, называемые метаповерхностями: двумерные решётки, состоящие из крошечных элементов (метаатомов), которые могут легко настраивать свои хиральные свойства. Изменяя ориентацию метаатомов внутри решётки, учёные могут контролировать взаимодействие результирующей метаповерхности с поляризованным светом.
«Наш «инструмент хирального проектирования» элегантно прост и в то же время более мощный, чем предыдущие подходы, которые пытались контролировать свет с помощью очень сложных геометрий метаатомов. Вместо этого мы используем взаимодействие между формой метаатома и симметрией решётки метаповерхности», — объясняет руководитель лаборатории бионанофотоники Хатидже Алтуг.
Инновация, имеющая потенциальное применение в шифровании данных, биосенсинге и квантовых технологиях, была опубликована в Nature Communications.
Метаповерхность команды, изготовленная из Германия и дифторида кальция, представляет собой градиент метаатомов с ориентациями, которые непрерывно изменяются вдоль чипа. Форма и углы этих метаатомов, а также симметрия решётки — всё это работает вместе, чтобы настроить отклик метаповерхности на поляризованный свет.
В экспериментальной проверке концепции учёные одновременно закодировали два разных изображения на метаповерхности, оптимизированной для невидимого среднего инфракрасного диапазона электромагнитного спектра. Для первого изображения австралийского какаду данные изображения были закодированы в размере метаатомов, которые представляли пиксели, и декодированы с неполяризованным светом. Второе изображение было закодировано с использованием ориентации метаатомов так, что при воздействии циркулярно поляризованного света метаповерхность раскрыла изображение знаменитой швейцарской горы Маттерхорн.
«Этот эксперимент продемонстрировал способность нашей техники создавать двойной слой «водяного знака», невидимого для человеческого глаза, открывая путь для передовых приложений защиты от подделки, камуфляжа и обеспечения безопасности», — говорит исследователь лаборатории бионанофотонных систем Иван Синев.
Помимо шифрования, подход команды имеет потенциальное применение для квантовых технологий, многие из которых используют поляризованный свет для вычислений. Способность отображать хиральные отклики на больших поверхностях может также упростить биосенсинг.
«Мы можем использовать хиральные метаструктуры, подобные нашей, для определения, например, состава или чистоты лекарств из небольших объёмов проб. Природа хиральна, и способность различать лево- и правовращающие молекулы имеет важное значение, поскольку она может сделать разницу между лекарством и токсином», — говорит исследователь лаборатории бионанофотонных систем Феликс Рихтер.