Теоретически обоснованный метод расширяет возможности измерения квантовых взаимодействий

Схематическая иллюстрация экспериментальной установки ANUBIS с использованием техники поляризованного рассеяния нейтронов. Автор: arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.13990

Новый теоретически обоснованный подход может помочь учёным исследовать свойства новых полупроводников для микроэлектроники следующего поколения или открывать материалы, улучшающие производительность квантовых компьютеров.

Обычно разработка новых материалов ограничивается изучением свойств, которые можно измерить с помощью существующего лабораторного оборудования. Однако это лишь малая часть потенциально доступных для исследования характеристик. Некоторые свойства остаются «невидимыми», поскольку их крайне сложно зафиксировать напрямую.

Например, электрон-фононное взаимодействие играет ключевую роль в электрических, тепловых, оптических и сверхпроводящих свойствах материалов, но его прямое измерение существующими методами остаётся сложной задачей.

Исследователи из MIT предложили метод, который превращает эту проблему в возможность. Их подход переосмысливает эффект интерференции при рассеянии нейтронов как инструмент для прямого измерения силы электрон-фононного взаимодействия.

Метод основан на создании двух типов взаимодействий в материале. Учёные показали, что, проектируя эксперимент для изучения интерференции между ними, можно измерить силу электрон-фононного взаимодействия.

«Вместо случайного открытия новых спектроскопических методов мы можем использовать теорию для обоснования и проектирования экспериментов», — говорит Минда Ли, профессор ядерной науки и инженерии MIT и старший автор исследования.

Исследование интерференции

Метод рассеяния нейтронов позволяет изучать атомную структуру и магнитные свойства материалов. При столкновении нейтронов с образцом возникают ядерное и магнитное взаимодействия, которые могут интерферировать друг с другом.

«Этот эффект интерференции известен давно, но его обычно рассматривали как помеху, а не как полезный сигнал», — объясняет Чулян Фу, постдок MIT и соавтор работы.

Команда провела теоретический анализ и обнаружила, что картина интерференции прямо пропорциональна силе электрон-фононного взаимодействия. Это открытие позволяет использовать интерференцию как инструмент для прямого измерения данного параметра.

«Прямое измерение электрон-фононного взаимодействия открывает новые возможности», — отмечает Пум Сиривибун, аспирант MIT.

Перспективы применения

Хотя текущие эксперименты дали слабый сигнал из-за ограничений оборудования, результаты подтвердили теорию. Учёные считают, что более мощные установки, такие как планируемая «Вторая целевая станция» в Национальной лаборатории Ок-Ридж, позволят точно измерять это взаимодействие.

Метод может ускорить разработку энергоэффективных полупроводников, улучшить беспроводные технологии и медицинское оборудование, например, кардиостимуляторы и МРТ-сканеры.

«Это очень интересная работа, — комментирует Джон Тейлор из Ок-Ридж, не участвовавший в исследовании. — Метод, чувствительный к электронным эффектам, а не только к магнитным моментам, может стать прорывом».

Дополнительная информация: Chuliang Fu et al, Anomalous neutron nuclear-magnetic interference spectroscopy, Materials Today Physics (2025). DOI: 10.1016/j.mtphys.2025.101777. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.13990