Физики нашли новое применение бриллиантам

Бриллианты часто ценятся за их безупречный блеск, но Чонг Зу, доцент кафедры физики искусств и наук Вашингтонского университета в Сент-Луисе, видит в этих природных кристаллах более глубокую ценность. Зу и его команда сделали большой шаг вперед в стремлении превратить алмазы в квантовый симулятор.

Исследователи преобразовали алмазы, воздействуя на них 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.

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

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.

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.

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.  Ученые также планируют использовать эти датчики, чтобы лучше понять квантовые материалы, созданные в лаборатории Шэн Рана, доцента физики.