Точка, где законы физики берут выходной: в алмазе обнаружили феномен, ускользавший от науки целый век

Международная группа исследователей из Научно-технологического университета впервые экспериментально обнаружила дираковские особые точки. Это достижение, описанное в журнале Physical Review Letters, открывает новые возможности для развития вычислительных технологий следующего поколения.

Чтобы понять суть открытия, необходимо разобраться в фундаментальных принципах квантового мира. В классической физике состояние частиц характеризуется непрерывным спектром энергий — они могут плавно переходить из одного энергетического состояния в другое. В квантовой механике картина иная: частицы способны находиться только в определенных состояниях, подобно ступеням лестницы. При особых условиях несколько таких энергетических уровней могут совпадать — это явление называется вырождением.

В современной физике рассматривают два типа процессов, описываемых разными математическими моделями. Эрмитовы процессы характеризуют идеализированные замкнутые системы, где энергия сохраняется без потерь. Неэрмитовы процессы, напротив, учитывают реальное взаимодействие с окружающей средой, включая рассеивание энергии и другие естественные явления.

В неэрмитовых системах при определенных условиях возникают особые точки — уникальные состояния, где сливающиеся энергетические уровни демонстрируют необычные свойства. За более чем вековую историю исследований ученым удалось экспериментально зафиксировать только два типа таких состояний. Их обнаружили в особых материалах — дираковских и вейлевских полуметаллах, которые проявляют экзотические электронные свойства из-за специфической структуры энергетических зон.

Теперь китайским специалистам удалось открыть и подтвердить существование третьего типа — дираковских особых точек. Руководитель проекта Син Жун поясняет: эти состояния уникальны тем, что сочетают характеристики двух ранее известных. От точек Дирака, наблюдаемых в эрмитовых системах, они унаследовали особую симметрию энергетических уровней. От классических особых точек неэрмитовых систем — способность к слиянию состояний.

Для проведения эксперимента исследователи использовали кристалл алмаза с особыми дефектами — пустотами, где отсутствующие атомы углерода замещены атомами азота. Такие азотно-вакансионные центры представляют собой идеальные квантовые системы атомного масштаба: их состояния можно контролировать с высочайшей точностью при помощи лазерного излучения и микроволновых полей.

Чтобы создать условия для появления дираковских особых точек, разработали специальную математическую модель — неэрмитов гамильтониан. В неё включили особый компонент — оператор квадрата спина (Sz²), который ввели в трехуровневую систему. Спин — это собственный момент импульса частицы, квантовая характеристика, не имеющая аналогов в классической физике.

Для реализации теоретической модели в эксперименте применили инновационный метод квантового расширения, разработанный той же научной группой. Этот подход позволяет преобразовать неэрмитову систему в более крупную эрмитову, сохраняя при этом все важные физические свойства. Благодаря такому преобразованию появляется возможность измерять характеристики, которые в исходной системе наблюдать невозможно.

Существование дираковской особой точки подтвердили двумя независимыми способами. Во-первых, зарегистрировали действительные собственные значения энергии вблизи участка — это означает, что система сохраняет стабильность, несмотря на неэрмитов характер. Во-вторых, поймали вырождение квантовых состояний непосредственно там, где энергетические уровни сливаются особым образом.

Уникальность обнаруженного эффекта заключается в том, что энергетический спектр вблизи точки остается действительным, а не становится комплексным, как в случае обычных особых точек. Это свойство позволяет осуществлять адиабатическую эволюцию — плавное изменение параметров без резких скачков и потерь энергии.

Это принципиально важно для исследования геометрических фаз — фундаментальных характеристик, возникающих при циклическом изменении параметров квантовой системы.

По мнению исследователей, их открытие может стать основой для создания более совершенных устройств. Точный контроль над состояниями микромира необходим для реализации вычислительных алгоритмов и работы высокочувствительных измерительных приборов нового поколения. В перспективе это может привести к появлению более мощных квантовых компьютеров и сверхточных квантовых сенсоров.