Физикам из Университета Макгилла удалось создать крошечное квантовое устройство, которое генерирует фононы при температуре чуть выше абсолютного нуля. Изобретение приблизило их к разработке фононного лазера — технологии, работающей со звуком по принципу, аналогичному работе обычного лазера со светом. По словам ученых, звук, в отличие от света, распространяется в том числе в жидкой среде. Это может помочь вывести связь, медицинскую диагностику и сенсорные системы на новый уровень. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Квантовый звук
Материалом для нового устройства стал сверхтонкий двумерный кристалл, в котором электроны движутся по каналу шириной всего в несколько атомов. Когда через него пропускают электрический ток, электроны разгоняются до очень высоких скоростей и высвобождают избыточную энергию в виде фононов — звукоподобных частиц механических колебаний.
Авторы разработки обнаружили, что фононы возникают по предсказуемым закономерностям, что делает возможным управление ими. Эта возможность — одно из основных условий для создания квантового акустического оборудования, которое управляет звуком с высокой точностью.
Неожиданный эффект при охлаждении
Исследователи проводили опыты при температурах от 10 милликельвинов до 3,9 кельвинов, то есть близких к абсолютному нулю. В таких условиях электроны движутся более упорядоченно. Это позволяет наблюдать квантовые явления, недоступные при обычных температурах.
Эксперимент дал неожиданный эффект. Ранее считалось, что фононы возникают только при коллективном движении электронов со скоростью звука и выше. Однако новая работа показала, что в сверхтонком кристалле эти квазичастицы могут появляться и при более сложном поведении электронов. По мнению авторов, результаты их исследования указывают на необходимость пересмотреть современные теории, поскольку они не учитывают ряд особенностей переноса энергии в подобных материалах.
Что даст новая разработка?
В дальнейшем команда исследователей планирует создать аналогичные квантовые устройства на основе других материалов, включая графен, чтобы оно могло работать еще быстрее. Ученые считают, что усовершенствованные версии этой технологии могут помочь в разработке высокоскоростных средств связи, высокочувствительных сенсоров, новых методов медицинской диагностики и изучения биологических материалов.
Ранее Наука Mail рассказывала о создании нового вида квантовой материи.
