Движение нулевой точки — это неустранимые колебания, которые становятся видимыми при температурах, близких к абсолютному нулю. Доказательства этого квантового движения ранее были обнаружены для захваченных частиц и небольших резонаторов. Теперь исследователи, изучающие нанокристаллы, выявили низкотемпературный эффект излучения, который, как они показывают, связан с движением нулевой точки внутри кристаллической решётки [1]. Этот эффект может быть полезен для охлаждения нанокристаллов до более низких температур, чем это было возможно ранее.
Квантовая физика в условиях ультрахолодных температур
Обычно, когда объект становится холоднее, он движется всё меньше и меньше. Однако принцип неопределённости Гейзенберга диктует, что движение не может достичь точно нуля — всегда будут флуктуации. Эти квантовые флуктуации изучались в микроскопических системах, таких как захваченные атомы и молекулы [2]. Но они также наблюдались и в макроскопических объектах. Предыдущие эксперименты выявили признаки движения нулевой точки в небольших механических резонаторах, таких как барабаны и балки (см. [Viewpoint: Seeing the “Quantum” in Quantum Zero-Point Fluctuations](https://physics.aps.org/articles/v5/8)).
Те исследования были сосредоточены на всём объекте, который движется вперёд и назад, как вибрирующая пружина. Но есть и внутренние вибрации — атомы объекта колеблются в своей кристаллической структуре. Сяоёнг Ван из Нанкинского университета в Китае и его коллеги обнаружили признак движения нулевой точки в решётке нанокристалла. «Насколько нам известно, это первый раз, когда этот эффект был замечен в твёрдом материале», — говорит член команды Чжи-Ганг Ю из Университета штата Вашингтон. «Даже мы были удивлены, обнаружив это».
Наблюдаемый признак
Признак наблюдался в измерениях фотолюминесценции, при которых объект возбуждается лазером, а затем впоследствии возвращается в исходное состояние, испуская свет. Если выходящее излучение имеет частоту выше, чем у лазера, процесс называется конверсией с повышением частоты. Обратный случай — излучение с более низкой частотой — называется конверсией с понижением частоты. Конверсия с повышением частоты особенно интересна исследователям, поскольку объект отдаёт часть своей внутренней энергии и, таким образом, становится холоднее.
Ван и его коллеги исследовали конверсию с повышением частоты в нанокристаллах, изготовленных из галогенида свинца (CSPbI₃). Этот полупроводник имеет несколько экситонных состояний, которые образуются, когда электрон перепрыгивает из валентной зоны в зону проводимости с более высокой энергией. Когда электрон впоследствии возвращается в валентную зону, излучается свет на характерной частоте экситона.
Для своего исследования конверсии с повышением частоты исследователи нацелились на одно из экситонных состояний перовскита, настроив свой лазер на частоту чуть ниже частоты экситона. В этом случае фотонам лазера не хватает энергии для возбуждения электронов. Однако фотоны могут получить «помощь» от тепловых флуктуаций (или фононов) в кристалле.
Действительно, при относительно высоких температурах (выше 10 К) Ван и его коллеги наблюдали экситонную эмиссию из своего нанокристалла, что означало, что фононы поставляли дополнительную энергию, необходимую для возбуждения электронов.
Это было ожидаемо. Неожиданность пришла, когда исследователи понизили температуру до 4 К. При такой температуре фононы имеют недостаточно энергии, чтобы помочь фотонам. «Но мы продолжали видеть экситонную эмиссию», — говорит Ю. «Для нас это было загадкой, откуда бралась дополнительная энергия». Ответом было движение нулевой точки: решётка продолжает иметь энергию в своих квантовых флуктуациях.
Ван и его коллеги разработали модель того, как колебания решётки при почти нулевой температуре могут влиять на сигнал фотолюминесценции. Они показали, что движение нулевой точки создаёт осциллирующее электрическое поле внутри материала, которое вызывает «наклон» зонной структуры. Аналогичный эффект происходит, когда к материалу прикладывается внешнее электрическое поле. Наклон зон облегчает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. Конечным результатом является то, что движение нулевой точки обеспечивает дополнительную энергию, необходимую для фотолюминесценции с повышением частоты.
Как уже упоминалось, конверсия с повышением частоты удаляет энергию из объекта, поэтому можно использовать эффект движения нулевой точки для охлаждения. До сих пор было трудно охладить объекты ниже 4 К, поскольку это предел, установленный криостатами на основе гелия. Но если фотолюминесценция может извлечь движение нулевой точки из материала, она потенциально может достичь температур ниже 4 К. «Эти результаты открывают дверь к другому подходу к охлаждению при экстремальных температурах», — говорит Ю.
«Первичная новизна этого исследования заключается в отходе от традиционных описаний конверсии фотолюминесценции с повышением частоты», — говорит Масару Куно, физик-химик из Университета Нотр-Дам в Индиане. Наблюдаемый эффект движения нулевой точки может предложить метод полупроводникового оптического охлаждения, который долгое время был заветной целью в сообществе лазерного охлаждения, говорит Куно. Но он говорит, что необходимы дополнительные термодинамические измерения, чтобы показать, что конверсия с повышением частоты действительно может привести к охлаждению нанокристалла. «Хотя представленные данные являются наводящими на размышления, требуется дополнительная проверка, чтобы сделать выводы окончательными».
Измерение спин-фазы в кристаллах
Магнитные моменты, или спины, в некоторых магнитах могут образовывать спиралевидные структуры, которые могут быть полезны для хранения информации. Исследования этих так называемых гелимагнетиков обычно сосредоточены на ориентации этих спиновых структур, при этом «левозакрученные» и «правозакрученные» спирали служат в качестве 0 и 1. Но спин-фаза — параметр, описывающий направление спина на одном конце спиральной структуры — также может быть полезен для хранения информации.
Нан Цзян из Университета Осаки в Японии и его коллеги сообщают о новом способе измерения спин-фазы [1]. Метод спин-клапана команды может в конечном итоге использоваться для чтения и записи информации в гелимагнитном устройстве.
Для одиночного кристалла гелимагнетика спин-фазу можно восстановить, измерив, как спины направлены на поверхности кристалла. Такие поверхностные спины можно измерить с помощью рентгеновской спектроскопии и сканирующей туннельной микроскопии, но эти методы трудно интегрировать в устройства, говорит Цзян. Он и его коллеги разработали более совместимый метод, который может измерять спин-фазу электронным способом.
Для своего эксперимента исследователи поместили хиральный гелимагнетик (CrNb₃S₆) в контакт с медным проводом, который был предназначен для пропускания тока спин-поляризованных электронов. Когда этот спиновый ток проходил мимо гелимагнетика, он частично поглощался — причём количество поглощения зависело от направления спина на поверхности гелимагнетика. Измеряя этот эффект спин-клапана, исследователи смогли восстановить спин-фазу гелимагнетика.
В будущем команда планирует электрически управлять спин-фазой, используя спиновые токи для её записи и чтения. «Демонстрация такого контроля утвердила бы спин-фазу в качестве практической информационной переменной для памяти и логики с низким энергопотреблением», — говорит Цзян.
— Майкл Ширбер
Майкл Ширбер — редактор-корреспондент журнала [Physics Magazine](https://physics.aps.org) во Франции.