Нобелевская премия по физике
Три учёных получили Нобелевскую премию по физике за открытие, согласно которому феномен, бросающий вызов барьерам в квантовом мире, можно наблюдать в электрической цепи в нашем классическом мире.
Открытие
Открытие было связано с эффектом, называемым квантовым туннелированием. Оно заложило основы для технологий, которые сейчас используются Google и IBM для создания квантовых компьютеров будущего.
Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартини
Джон Кларк из Великобритании, француз Мишель Деворе и американец Джон Мартини — авторы нобелевской работы.
В классическом или «макроскопическом» мире, который включает всё, что вы видите вокруг себя, всё подчиняется надёжным правилам традиционной физики. Но когда объекты становятся чрезвычайно малыми, порядка размера атома, эти законы перестают действовать. Тогда вступает в силу квантовая механика.
Странности квантового мира
Одной из странностей квантового мира является суперпозиция, при которой частица может существовать в нескольких местах одновременно — по крайней мере, до тех пор, пока за ней не наблюдают. Однако учёным было трудно непосредственно наблюдать квантовую механику в этом «микроскопическом» мире, который нельзя увидеть в микроскоп.
Квантовое туннелирование — это странный эффект, который физики впервые теоретически предположили почти сто лет назад. Представьте человека, пытающегося взобраться на гору, — сказала Элейнор Крейн, квантовый физик из Королевского колледжа в Лондоне. В классическом мире, если альпинист слишком устал, он не сможет добраться до другой стороны. Но если частица слаба в квантовом мире, всё равно есть «вероятность найти её на другой стороне горы», — сказала Крейн.
Электрическая цепь
В середине 1980-х Кларк, Деворе и Мартини создали очень маленькую — но не квантового уровня — электрическую цепь. Они настроили её с двумя сверхпроводниками, которые охлаждены почти до минимально возможной температуры, поэтому у них нет электрического сопротивления. Затем они разделили два сверхпроводника тонким слоем материала. Это нарушило бы обычную электрическую цепь, но благодаря квантовому туннелированию некоторые электроны могли появиться на другой стороне.
Развитие квантовых битов
Открытие заложило основу для разработки сверхпроводящих квантовых битов. В то время как классические компьютеры имеют биты, которые работают в единицах и нулях, квантовые биты, или кубиты, могут существовать в двух состояниях одновременно. Это даёт им огромный потенциал для прорывов, хотя они ещё не полностью оправдали шумиху. Крейн подсчитала, что квантовые компьютеры могут стать достаточно мощными, чтобы «изменить ход общества» в ближайшие пять-десять лет.
Международная команда исследователей разработала новую технику
Международная команда исследователей разработала новую технику для эффективного возбуждения и управления высококонцентрированными волнами света и материи, известными как гиперболические фононные поляритоны высшего порядка. Их метод не только устанавливает новые рекорды по качеству и расстоянию распространения этих волн, но и использует резкую границу для создания формы псевдодвулучепреломления, сортируя и направляя волны по модам в разные направления.
Новый метод возбуждения
Этот прогресс, опубликованный в Nature Photonics, открывает новые возможности для разработки наноразмерных оптических устройств для высокоскоростной обработки сигналов и сверхчувствительного химического обнаружения.
В поисках ультракомпактных световых схем учёные обращаются к поляритонам — гибридным модам, образованным в результате связи света с оптически активными материальными возбуждениями, такими как плазмоны или фононы. Эти замечательные квазичастицы могут сжимать свет в пространствах, гораздо меньших, чем его естественная длина волны, преодолевая обычные ограничения дальней оптики. Однако возбуждение большинства ограниченных вариантов — поляритонов высшего порядка — было серьёзной проблемой, поскольку они требуют гораздо большего импульса, чем могут обеспечить одноступенчатые методы возбуждения.
Под руководством учёных из Шанхайского Jiao Tong University и Национального центра нанонаук и технологий (Китай), вместе с CIC nanoGUNE и ICFO — Институтом фотонных наук (Испания), команда разработала гениальный двухступенчатый процесс возбуждения.
Сначала крошечная освещённая светом золотая антенна обеспечивает первоначальный толчок, создавая фундаментальный (нулевого порядка) гиперболический фононный поляритонный режим на гладкой двухосной MoO₃ кристаллической пластине, помещённой на монокристаллическую золотую подложку. Эта волна затем движется к краю золота, где подложка резко заканчивается, и кристалл подвешен в воздухе. Пересекая эту резкую границу, волна рассеивается, преобразуясь в фононные поляритоны высшего порядка.
«Рассеивание поляритона нулевого порядка на границе обеспечивает большой импульс, необходимый для возбуждения мод высшего порядка», — объясняет профессор Райнер Хилленбранд, ведущий автор исследования. «Мы обнаружили, что этот двухступенчатый метод значительно повышает эффективность возбуждения по сравнению с традиционными одноступенчатыми методами возбуждения».
Эта повышенная эффективность возбуждения в сочетании со сверхгладкой, с низкими потерями воздушной подвешенной MoO₃ пластиной позволила команде наблюдать поляритоны высшего порядка беспрецедентного качества. Волны достигли рекордно высокого коэффициента качества ~45 и большого расстояния распространения, демонстрируя потенциал для фотонных технологий следующего поколения.