Квантовые спины создают стабильные микроволновые сигналы

Когда квантовые частицы действуют сообща, они могут генерировать сигналы, значительно более мощные, чем способна создать одна частица. Это коллективное явление, называемое сверхизлучением (суперрадиантностью), является ярким примером кооперации на квантовом уровне. До сих пор сверхизлучение было известно в основном тем, что заставляет квантовые системы слишком быстро терять энергию, что создавало проблемы для квантовых технологий.

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Но новое исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, переворачивает эту идею с ног на голову, показывая, что коллективные эффекты сверхизлучения, наоборот, могут создавать самоподдерживающиеся, долгоживущие микроволновые сигналы с захватывающим потенциалом для будущих квантовых устройств.

«Что примечательно, так это то, что кажущиеся хаотичными взаимодействия между спинами фактически подпитывают излучение, — объясняет доктор Венцель Керстен, первый автор исследования. — Система самоорганизуется, производя чрезвычайно когерентный микроволновый сигнал из самого беспорядка, который обычно его разрушает».

Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) и Окинавского института науки и технологий (OIST) продемонстрировали первый пример самовозбуждающегося сверхизлучательного мазера — спонтанных, долгоживущих всплесков микроволнового излучения, генерируемых без внешнего воздействия.

Их открытие предоставляет новый метод генерации высокостабильных и точных микроволновых сигналов, прокладывая путь для технологических достижений в самых разных важных областях — от медицины до навигации и квантовой связи.

«Это открытие меняет то, как мы думаем о квантовом мире, — говорит профессор Каэ Немото, директор Центра квантовых технологий OIST. — Мы показали, что те самые взаимодействия, которые, как считалось, нарушают квантовое поведение, вместо этого можно использовать для его создания. Этот сдвиг открывает совершенно новые направления для квантовых технологий».

Коллективное поведение создаёт мощные импульсы

Чтобы изучить, как спиновые системы ведут себя коллективно, исследователи связали плотный ансамбль азотно-замещённых вакансий (NV-центров) в алмазе — крошечных атомных дефектов — с микроволновым резонатором. Каждый NV-центр содержит электронные спины, которые могут переключаться между квантовыми состояниями, действуя как миниатюрные магниты.

«Мы наблюдали ожидаемый начальный сверхизлучательный всплеск, но затем появилась удивительная серия узких, долгоживущих микроволновых импульсов», — объясняет профессор Уильям Манро, соавтор исследования и глава подразделения квантовой инженерии и дизайна OIST.

С помощью крупномасштабных компьютерных симуляций команда определила источник этой пульсации: самовозбуждающиеся спиновые взаимодействия, которые динамически перезаселяют энергетические уровни, поддерживая излучение без внешней накачки.

«По сути, система сама себя возбуждает, — добавляет профессор Манро. — Эти спин-спиновые взаимодействия постоянно запускают новые переходы, открывая принципиально новый режим коллективного квантового поведения».

Квантовые технологии следующего поколения

Помимо открытия новой квантовой физики, результаты указывают на практические применения. Стабильное, самоподдерживающееся микроволновое излучение может стать основой для сверхточных часов, каналов связи и навигационных систем — технологий, лежащих в основе современной жизни, от GPS и телекоммуникаций до радаров и спутниковых сетей.

«Принципы, которые мы здесь наблюдаем, также могут улучшить квантовые сенсоры, способные обнаруживать мельчайшие изменения в магнитных или электрических полях», — говорит профессор Йорг Шмидмайер из Венского центра квантовой науки и технологий (TU Wien).

Такие достижения могут принести пользу медицинской визуализации, материаловедению и мониторингу окружающей среды. В более широком смысле эта работа показывает, как глубокое понимание квантового поведения может трансформироваться в новые инструменты и технологии, способные сформировать следующее поколение научных и промышленных инноваций.

Больше информации: Self-induced superradiant masing, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03123-0

Источник: Okinawa Institute of Science and Technology

Интересный факт: NV-центры в алмазе уже сегодня используются в прототипах квантовых компьютеров и высокочувствительных магнитометров, способных, например, регистрировать магнитные поля отдельных нейронов. Открытие их способности к самоподдерживающемуся сверхизлучению открывает путь к созданию автономных квантовых устройств, не требующих сложных внешних систем управления и охлаждения.