Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойФизикаСкрытый потенциал алмазов: физики раскрывают квантовую силу несовершенных кристаллов

Скрытый потенциал алмазов: физики раскрывают квантовую силу несовершенных кристаллов

- Advertisement -

Внешние поля управляют квантовыми частицами внутри алмаза, создавая долгоживущую квантовую систему. Фото: Вашингтонский университет в Сент-Луисе.

Исследования, поддерживаемые Центром квантовых скачков, развивают область квантового моделирования с использованием квантовой системы атомного уровня.

Бриллианты часто ценятся за их безупречный блеск, но Чонг Цзу, доцент кафедры физики, видит в этих природных кристаллах более глубокую ценность. Как сообщается в Письма о физических отзывах — один из самых престижных журналов в области физики — Зу и его команда сделали большой шаг вперед в стремлении превратить алмазы в квантовый симулятор.

Исследовательская группа и институциональная поддержка

Соавторами статьи являются Катер Марч, профессор физики, и аспиранты Гуанхуэй Хэ, Руотиан (Реджинальд) Гун и Чжунъюань Лю. Их работу частично поддерживает Центр квантовых скачков, знаковая инициатива Стратегического плана искусств и наук, целью которого является применение квантовых идей и технологий в физике, биомедицинских и биологических науках, открытии лекарств и других далеко идущих областях.

Трансформация бриллиантов

Исследователи преобразовали алмазы, бомбардируя их атомами азота. Некоторые из этих атомов азота вытесняют атомы углерода, создавая дефекты в идеальном кристалле. Образующиеся промежутки заполняются электронами, имеющими собственный спин и магнетизм — квантовые свойства, которые можно измерять и манипулировать ими для широкого спектра применений.

Как Зу и его команда ранее обнаружили в ходе исследования бора, такие дефекты потенциально могут быть использованы в качестве квантовых датчиков, которые реагируют на окружающую среду и друг на друга. В новом исследовании исследователи сосредоточились на другой возможности: использовании несовершенных кристаллов для изучения невероятно сложного квантового мира.

Ограничения классических компьютеров

Классические компьютеры (в том числе современные суперкомпьютеры) недостаточны для моделирования квантовых систем, даже тех, которые содержат всего дюжину или около того квантовых частиц. Это потому, что размеры квантового пространства растут экспоненциально с каждой добавленной частицей. Но новое исследование показывает, что можно напрямую моделировать сложную квантовую динамику, используя управляемую квантовую систему. «Мы тщательно проектируем нашу квантовую систему, чтобы создать программу моделирования и запустить ее», — сказал Зу. «В конечном итоге мы наблюдаем результаты. Это то, что было бы почти невозможно решить с помощью классического компьютера».

Многообещающие достижения

Прогресс команды в этой области позволит исследовать некоторые из наиболее интересных аспектов квантовой физики многих тел, включая реализацию новых фаз материи и предсказание возникающих явлений из сложных квантовых систем.

В последнем исследовании Зу и его команда смогли поддерживать стабильность своей системы до 10 миллисекунд, что является длительным периодом времени в квантовом мире. Примечательно, что в отличие от других систем квантового моделирования, которые работают при сверхнизких температурах, их система, построенная на алмазах, работает при комнатной температуре.

Поддержание стабильности системы

Одним из ключей к сохранению целостности квантовой системы является предотвращение термализации — точки, в которой система поглощает столько энергии, что все дефекты теряют свои уникальные квантовые характеристики и в конечном итоге выглядят одинаково. Команда обнаружила, что они могут отсрочить этот результат, управляя системой так быстро, что она не успевает поглощать энергию. Это оставляет систему в относительно стабильном состоянии «предтермализации».

Новая система на основе алмазов позволяет физикам изучать взаимодействия нескольких квантовых областей одновременно. Это также открывает возможности для создания более чувствительных квантовых датчиков. «Чем дольше живет квантовая система, тем выше ее чувствительность», — сказал Зу.

Междисциплинарное сотрудничество

Зу и его команда в настоящее время сотрудничают с другими учеными WashU в Центре квантовых скачков, чтобы получить новые идеи в разных дисциплинах. В рамках отдела искусств и наук Зу работает с Эриком Хенриксеном, доцентом физики, над улучшением характеристик датчиков. Он также планирует использовать их, чтобы лучше понять квантовые материалы, созданные в лаборатории Шэн Рана, доцента физики. Он также сотрудничает с Филипом Скемером, профессором наук о Земле, окружающей среде и планетах, чтобы получить представление о магнитных полях в образцах горных пород на атомном уровне; и с Шанкаром Мукерджи, доцентом физики, для изображения термодинамики в живых биологических клетках.

Ссылка: «Претермализация квази-Флоке в неупорядоченном ансамбле диполярных спинов в алмазе», Гуанхуэй Хэ, Бинтянь Е, Руотянь Гун, Чжунъюань Лю, Катер В. Марч, Норман Ю. Яо и Чонг Цзу, 27 сентября 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.130401.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме