Учёные США смогли впервые наблюдать сверхизлучательный фазовый переход

Фото из открытых источников

Физики из Университета Райса совершили значительный научный прорыв, впервые непосредственно наблюдая явление сверхизлучательного фазового перехода (SRPT), теоретически предсказанное более пятидесяти лет назад. Данное открытие, о котором сообщает EurekAlert, представляет собой особый квантовый феномен, при котором две группы квантовых частиц спонтанно синхронизируются без внешнего воздействия, образуя принципиально новое состояние материи.

Исследователи осуществили наблюдение этого уникального квантового перехода в специально подготовленном кристалле, состоящем из эрбия, железа и кислорода. Для создания необходимых условий кристалл был охлаждён до экстремально низкой температуры -272 градуса Цельсия (практически до абсолютного нуля) и помещён в мощное магнитное поле напряжённостью до 7 тесла, что примерно в 100 000 раз превышает естественное магнитное поле Земли.

"Изначальная теория предполагала, что сверхизлучательный фазовый переход возникает в результате взаимодействия между квантовыми вакуумными флуктуациями — квантовыми световыми полями, существующими даже в абсолютной пустоте — и флуктуациями вещества. Однако в нашей работе мы реализовали этот переход иным способом, связав две различные магнитные подсистемы внутри кристалла — спиновые флуктуации ионов железа и ионов эрбия", — поясняет ведущий автор исследования Дасам Ким.

Особую значимость данному открытию придаёт тот факт, что ранее существование SRPT вызывало серьёзные дискуссии среди физиков-теоретиков, поскольку такой фазовый переход противоречит так называемой "теореме запрета" в теоретической физике. Исследовательской группе удалось обойти это ограничение, создав магнонную версию данного явления в магнитном кристалле. Магноны представляют собой коллективные возбуждения, возникающие, когда спины частиц (квантовая характеристика, описывающая направление частиц) выстраиваются в определённом порядке, создавая магнитные узоры в веществе.

В эксперименте магноны ионов железа выполнили функцию, которую в классической модели приписывают флуктуациям вакуума, в то время как спины ионов эрбия представляли флуктуации вещества. Используя передовые методы спектроскопии, учёные зафиксировали чёткие спектральные сигнатуры, указывающие на возникновение SRPT. Эти спектральные "отпечатки" точно соответствовали теоретическим предсказаниям о характеристиках сверхизлучающей фазы.

Интересно отметить, что данное открытие продолжает серию недавних прорывов в квантовой физике. Так, другая исследовательская группа из США недавно обнаружила так называемые "полудираковские фермионы" — теоретически описанные 16 лет назад квазичастицы с парадоксальными свойствами: при движении в одном направлении они обладают массой, а в другом — нет. До недавнего времени эти частицы существовали лишь в теоретических моделях, но теперь их присутствие было экспериментально подтверждено внутри кристаллической структуры полуметалла.