インサイダーブリーフ
- ライス大学の研究者は、結晶中の磁気サブシステムを結合することにより、スーパー放射期遷移、長い予測量子現象を最初に直接観察しました。
- チームは、光ではなくスピン相互作用を介した遷移を誘導することにより、既知の理論的制限を回避し、正確な分光測定により効果を確認しました。
- この発見は、エキゾチックな集団量子状態へのアクセスを可能にすることにより、超敏感なセンサーや高忠実度の量子コンピューティングなど、量子技術の新しい可能性を開きます。
- 画像：Dasom Kim、Jorge Vidal/Rice Universityによる写真
プレスリリース – ライス大学の研究者チームは、半世紀以上前に予測された驚くべき量子現象の最初の直接観察を報告し、量子コンピューティング、コミュニケーション、センシングにおける革新的なアプリケーションの経路を開きました。
超放射線相転移（SRPT）として知られるこの現象は、外部トリガーなしで協調的な集団的方法で2つのグループの量子粒子グループが変動し始め、新しい物質状態を形成するときに発生します。発見は、エルビウム、鉄、酸素で構成される結晶で作られ、華氏457マイナスに冷却され、最大7テスラの強力な磁場（地球の磁場よりも100,000倍以上強い）にさらされました。 研究 で公開 科学の進歩。
「もともと、SRPTは、量子真空変動との相互作用から生じるものとして提案されていました – 完全に空の空間にも自然に存在する量子光場と物質の変動」と、Dasom Kimは述べています。 応用物理学大学院プログラム この研究の主著者です。 「しかし、私たちの研究では、2つの異なる磁気サブシステムを結合することにより、この遷移を実現しました。鉄イオンと結晶内のエルビウムイオンのスピン変動です。」
Spinは、電子または他の粒子の磁性極を説明し、各粒子に付着した小さな矢印として想像することができ、常に回転し、特定の方向を指しています。スピンを合わせると、材料全体に磁気パターンが作成されます。スピンのパターンが波のように材料を横切って波打つ場合、結果として生じる集合的な励起はマグノンとして知られています。
これまで、SRPTが実際に行われる可能性があるかどうかは、光ベースのシステムで発生する制限（理論物理学の「ノーゴー定理」と呼ばれる制限）に反するため、議論の対象となりました。 2つのスピンサブシステム間の相互作用に基づいて磁気結晶でSRPTをステージングすることにより、研究者はこの障壁を回避することができ、現象のマグネックバージョンを作成しました。具体的には、鉄イオンのマグノンは伝統的に真空変動に起因する役割を果たし、エルビウムイオンのスピンは物質の変動を表しています。
高度な分光技術を使用して、研究者はSRPTの紛れもない署名を観察し、1つのスピンモードのエネルギー信号が消え、別のエネルギー信号が明確なシフトまたはキンクを示しました。これらのスペクトルフィンガープリントは、理論がスーパーレディアントフェーズに入るために予測する理論と正確に一致し、チームに、彼らが実際に長年の状態を存在させたという自信を高めます。
「これら2つのスピンシステムの間に超極的な結合を確立し、SRPTを正常に観察し、以前の実験的制約を克服しました」とキムは言いました。
研究者は、50年前の物理学の予測が確認されているだけでなく、これが量子技術にとって何を意味するのかという理由だけでなく、興奮しています。 SRPTの集団量子状態には、次世代の量子技術を活用できる独自の特性があります。
「この遷移の量子臨界臨界点の近くで、システムは、量子ノイズが大幅に減少する量子サイズの状態を自然に安定させます – 測定精度を大幅に向上させます」とキムは言いました。 「全体的に、この洞察は量子センサーとコンピューティングテクノロジーに革命をもたらし、忠実さ、感度、パフォーマンスを大幅に向上させる可能性があります。」
ライスの大学院生であるソハイル・ダスグプタ Kaden Hazzard物理学と天文学の准教授は、理論的にはSRPTをモデル化し、横浜国立大学の教授であるコラボレーターで共著者のMotoaki Bambaによって開発されたモデルに基づいて構築されました。
「基本的な数学モデルはすでにMotoakiによってレイアウトされていましたが、正確な結果を得るために材料の特定の磁気特性のいくつかを説明する必要がありました。
Hazzard氏によると、この成果は、量子光学の概念を固体材料に翻訳できることを示しています。
「これにより、キャビティ量子電気力学からのアイデアを使用して、物質の段階を作成および制御する新しい方法が開かれます」とHazzard氏は言います。
さらに、この研究で使用されている結晶は、より広範なクラスの材料の一例です。つまり、研究は、同様に相互作用する磁気成分を持つ他の材料の量子現象を探索する方法を舗装します。
「2つの内部物質変動を結合することによって完全に駆動されるSRPTの形を実証することは、量子物理学の重要なブレークスルーを示し、材料内の内因性量子相互作用を理解し、活用するための新しいフレームワークを確立します」と述べました。 Junichiro Kono、カールF.ハッセルマン工学教授、電気およびコンピューターエンジニアリングおよび材料科学とナノエンジニアリングの教授、および研究の対応する著者。
この研究は、米国陸軍研究室（W911NF2110157）、ゴードンとベティムーア財団（11520）、ロバートA.ウェルチ財団（C-1509）、WMケック財団（995764）、材料研究所へのグローバル研究所である国立科学財団（PHY-848304）、日本社会（JPJSJRP20221202、JP24K21526）、オプトサイエンスと技術の研究財団、米国エネルギー省（DE-AC02-07CH11358）および中国国立科学財団（12374116）。コンテンツは著者の責任のみであり、必ずしも資金調達機関の公式見解を表すものではありません。
