Учёные открыли мощную форму квантовой интерференции для фононных технологий

Визуализация двумерного металла (средний слой), расположенного между графеном (верх) и карбидом кремния (низ). Автор: Кунян Чжан

Подобно тому, как пересекающиеся волны на воде могут усиливать или гасить друг друга, волны различной природы — включая свет, звук и атомные колебания — способны интерферировать между собой. На квантовом уровне этот эффект лежит в основе высокоточных сенсоров и может быть использован для квантовых вычислений.

В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, учёные из Университета Райса и их коллеги продемонстрировали сильную форму интерференции между фононами — колебаниями в структуре материала, которые представляют собой мельчайшие единицы (кванты) тепла или звука в системе. Явление, известное как резонанс Фано, при котором два фонона с разными частотными распределениями интерферируют друг с другом, оказалось в 100 раз мощнее ранее зарегистрированных случаев.

«Хотя этот феномен хорошо изучен для частиц вроде электронов и фотонов, интерференция между фононами исследована гораздо меньше», — пояснил Кунян Чжан, бывший постдок Университета Райса и ведущий автор работы. «Это упущенная возможность, поскольку фононы могут сохранять волновое поведение длительное время, что делает их перспективными для создания стабильных высокопроизводительных устройств».

Доказав, что фононами можно управлять так же эффективно, как светом или электронами, исследование открывает путь для нового поколения фононных технологий. Прорыв команды основан на использовании двумерного металла на подложке из карбида кремния. Применив метод конфайнментной гетероэпитаксии, учёные разместили всего несколько слоёв атомов серебра между графеном и карбидом кремния, создав прочную границу раздела с выдающимися квантовыми свойствами.

«Двумерный металл запускает и усиливает интерференцию между различными колебательными модами в карбиде кремния, достигая рекордных уровней», — отметил Чжан.

Команда изучала интерференцию фононов, анализируя форму их сигнала в рамановской спектроскопии — методе измерения колебательных мод материала. Спектр показал резко асимметричную линию, а в некоторых случаях — полный провал, формируя антирезонансную картину, характерную для интенсивной интерференции.

Эффект оказался чрезвычайно чувствительным к особенностям поверхности карбида кремния. Сравнение трёх различных типов поверхности выявило чёткую связь между каждой из них и уникальной формой рамановской линии. Более того, при добавлении всего одной молекулы красителя форма спектральной линии резко изменялась.

«Эта интерференция настолько чувствительна, что может обнаружить присутствие единственной молекулы», — подчеркнул Чжан. «Она позволяет проводить безындикаторную детекцию одиночных молекул с простой и масштабируемой установкой. Наши результаты открывают новый путь для использования фононов в квантовых сенсорах и молекулярной детекции следующего поколения».

Исследовав динамику эффекта при низких температурах, учёные подтвердили, что интерференция возникает исключительно за счёт взаимодействия фононов, а не электронов, что представляет редкий случай чисто фононной квантовой интерференции. Эффект наблюдался только в уникальной системе 2D-металл/карбид кремния и отсутствует в обычных объёмных металлах — благодаря особым переходным путям и конфигурациям поверхности, возможным благодаря атомарно тонкому металлическому слою.

Исследователи также изучили возможность использования других двумерных металлов, таких как галлий или индий, для создания аналогичных эффектов. Тонкая настройка химического состава этих промежуточных слоёв позволит создавать интерфейсы с заданными квантовыми свойствами.

«По сравнению с традиционными сенсорами наш метод обеспечивает высокую чувствительность без необходимости в специальных химических метках или сложной настройке устройства», — сказал Шэнси Хуанг, доцент электротехники и вычислительной техники Университета Райса.

«Этот фононный подход не только продвигает молекулярное зондирование, но и открывает захватывающие перспективы в сборе энергии, управлении теплом и квантовых технологиях, где контроль над колебаниями играет ключевую роль».

Дополнительная информация: Kunyan Zhang et al, Tunable phononic quantum interference induced by two-dimensional metals, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw1800