Хаос, алмазы и «вечный» сигнал. Как физики заставили квантовое излучение работать без внешней подпитки

Учёные из Австрии и Японии обнаружили способ стабилизировать квантовое излучение, которое раньше считалось слишком нестабильным для практического применения. Исследование показывает, что микроволновые сигналы, возникающие в результате взаимодействия квантовых спинов, могут не только сохраняться дольше, чем считалось возможным, но и поддерживаться без внешнего источника энергии. Это открытие может изменить подход к созданию квантовых технологий.

Обычно при так называемой суперлучеиспускательной эмиссии множество частиц излучают энергию одновременно, что приводит к мощному, но очень краткому выбросу излучения. Такая вспышка быстро затухает, что делает её бесполезной для создания устойчивых источников сигнала. Однако группа специалистов из Венского технического университета и Окинавского института науки и технологий продемонстрировала, что эта проблема может быть решена.

Исследователи использовали кристалл алмаза с высокой концентрацией центров азотных вакансий, представляющих собой дефекты кристаллической решётки, в которых атом азота расположен рядом с пустым местом, где должен был быть атом углерода. Внутри каждого такого центра содержится спиновый электрон, способный переходить между квантовыми состояниями. Кристалл был помещён в резонатор, удерживающий микроволновое излучение, что позволило ему эффективно взаимодействовать со спинами.

После начального возбуждения учёные наблюдали обычный для суперлучеиспускания короткий мощный импульс. Однако дальше произошло неожиданное — система начала самопроизвольно производить узкие, длительные микроволновые сигналы, повторяющиеся без внешней подпитки энергией. Последующее моделирование показало, что спины внутри алмаза обмениваются энергией между собой, что приводит к многократному повторению излучения. Благодаря этому процессу, названному автоиндуцированным суперлучеиспускательным мазером, система начала работать самостоятельно.

Обычно такие взаимодействия считаются источником помех и потерь, но здесь они, напротив, способствовали организации спинов и созданию устойчивого сигнала. Именно в этом и заключается ключевой результат работы — в превращении хаоса во внутреннюю упорядоченность, способную поддерживать квантовое излучение.

Такие сигналы могут использоваться в самых разных областях — от атомных часов и систем навигации до радаров и телекоммуникационного оборудования. Кроме того, разработка может повысить чувствительность квантовых датчиков, применяемых в медицине, материаловедении и экологическом мониторинге.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.