Ученые сыграли в "квантовый бильярд" при помощи материи и света - «Наука и технологии»

Международная группа ученых, возглавляемая учеными из австралийского Национального университета (Australian National University, ANU), в состав которой также входили ученые из Японии, Сингапура и Германии, в целях более глубокого проникновения в суть одной из областей фундаментальной квантовой физики, так называемой физики исключительных точек (physics of exceptional points), создали квантовую систему, функционирование которой весьма напоминает игру в бильярд. Эта достаточно крупномасштабная квантовая система представляет собой конденсат Бозе-Эйнштейна, состоящий из связанных и свободных квазичастиц, экситонов и поляритонов, а исследования, производимые при помощи этой системы, могут привести к открытию новых принципов, на которых будет основана электроника будущего поколения, использующая в своих целях уникальные свойства поляритонов.

"Исключительные точки (exceptional points, EP) демонстрируют нам интересные и парадоксальные явления, такие, как появление прозрачности у изначально непрозрачных материалов, однонаправленное распространение света или лазеры, которые перестают работать при превышении мощности накачки выше определенного предела" - рассказывает доктор Елена Островская (Dr. Elena Ostrovskaya), руководитель научной группы из ANU, - "И в нашу задачу входит поиск путей, позволяющих использовать эти явления на пользу людям".

Исключительная точка возникает, когда два различных (энергетических или динамических) состояния физической системы сливаются в одно. Изначально, такие явления наблюдались лишь в отношении классических электромагнитных волн микроволнового диапазона или диапазона видимого света, но теория допускает такие же проявления и по отношению к квантовым системам.

Квазичастицы экситоны и поляритоны являются гибридными частицами, в состав которых входит как материя, так и свет. Скопления, состоящие из большого количества таких квазичастиц, могут действовать как единое целое, в рамках которого все частицы ведут себя абсолютно подобным образом. И это поведение можно использовать для формирования "квантовых волн" в материи, находящейся в особом квантовом состоянии, называемом конденсатом Бозе-Эйнштейна.

Освещая светом лазера поверзность полупроводникового материала, исследователи создали квантовый аналог бильярдной игры, "стол" которой имеет размеры порядка 10 микрометров. Экситоны-поляритоны, используемые в этой игре вместо традиционных шаров, создают исключительные точки, проявляющиеся в соответствующем спектре электромагнитного диапазона. Вокруг этих точек образуется петля, которая называется топологической фазой Бери и любой объект, попадающий в область этой петли, вызывает изменение ее квантового состояния.

Таким образом, работа квантовой системы похожа на игру в бильярд, в которой положение шаров меняется каждый раз после удара. Только в квантовой системе при каждом воздействии светом лазера изменяется не положение шаров, а их квантовое состояние, которое определяет квантовое состояние системы в целом.

Следует отметить, что пока игра в "квантовый бильярд" проходила абсолютно случайным образом. Но, по мере проведения дальнейших исследований ученые научаться управлению изменениями квантового состояния, управлению направлением и силой удара с точки зрения терминологии бильярда. И тогда такие квантовые системы можно будет использовать в качестве элементов квантовых процессоров, выполняющих определенные функции по обработке информации, элементов электронных и спинтронных устройств.