Ученые создали квантовое звуковое устройство, способное изменить связь

Ученые создали крошечное квантовое устройство, которое производит управляемые звукоподобные частицы, называемые фононами, пропуская электроны через сверхтонкий кристалл, охлажденный до температур, близких к абсолютному нулю. Credit: Shutterstock

Исследователи из Университета Макгилла разработали новое квантовое устройство, которое генерирует крошечные звукоподобные частицы, называемые фононами, при температурах, лишь немного превышающих абсолютный нуль. Это достижение может помочь проложить путь к фононным лазерам — технологии с потенциальным применением в коммуникациях, медицинской диагностике и передовых сенсорах.

«Современная связь в значительной степени основана на свете, включая электромагнитные волны и электрические токи. В такой среде, как океан, звук может распространяться, тогда как свет и электрические токи — нет», — сказал Майкл Хилк, адъюнкт-профессор физики и соавтор исследования. «В человеческом теле звуковые волны также могут быть полезным инструментом».

Устройство было спроектировано и протестировано исследователями из Университета Макгилла и Национального исследовательского совета Канады, в то время как материал, использованный в устройстве, был синтезирован в Принстонском университете.

Как быстрые электроны производят квантовый звук

Команда создала устройство с использованием двумерного кристалла, который ограничивает электроны каналом шириной всего в несколько атомов. Когда электрический ток проталкивает электроны через этот сверхтонкий путь на высоких скоростях, электроны высвобождают свою избыточную энергию в виде всплесков звукоподобных вибраций, известных как фононы.

Исследователи обнаружили, что эти фононы могут генерироваться в предсказуемых, контролируемых режимах, что является важным шагом на пути к созданию практических устройств, которые полагаются на точное манипулирование звуком на квантовом уровне.

Охлаждение открывает необычное квантовое поведение

Эксперименты проводились при температурах от примерно 10 милликельвинов до 3,9 кельвина. При таких экстремально низких температурах электроны ведут себя гораздо более упорядоченно, что облегчает наблюдение квантовых явлений, где материя ведет себя как волны, а не как обычные частицы.

«При температурах, близких к абсолютному нулю, — то есть в мире квантовой физики — звук не создается, если только электроны не движутся коллективно со скоростью звука или выше», — объяснил Хилк. «Более ранние работы наблюдали связанные эффекты, когда скорость электронов приближалась к звуковому барьеру. Наше исследование идет дальше, продвигая систему далеко за эту точку и показывая, что существующие теории нуждаются в пересмотре, учитывая, что электроны могут быть очень горячими, даже если кристалл-носитель находится вблизи абсолютного нуля».

На пути к более быстрой связи и медицинским технологиям

Следующий этап исследования будет посвящен созданию устройства из других материалов, включая графен, что может позволить ему работать на еще более высоких скоростях.

По словам Хилка, будущие версии технологии могут способствовать созданию более быстрых систем связи, более чувствительных инструментов обнаружения, улучшенных методов изучения биологических материалов и передовых медицинских технологий.

«Фононы трудно генерировать и контролируемо использовать, поэтому мы исследуем новые режимы. В широком смысле, это о том, как электрический ток и энергия движутся и преобразуются внутри передовых электронных материалов», — сказал он.

Детали исследования

Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters в статье под названием «Resonant magnetophonon emission by supersonic electrons in ultrahigh-mobility two-dimensional systems» («Резонансная магнитофононная эмиссия сверхзвуковыми электронами в двумерных системах со сверхвысокой подвижностью») авторства Майкла Хилка и других.

Исследование финансировалось Канадским советом по естественным наукам и инженерным исследованиям и Фондом исследований Квебека — Природа и технологии.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Макгилла.

Z. T. Wang, M. Hilke, N. Fong, D. G. Austing, S. A. Studenikin, K. W. West, L. N. Pfeiffer. Resonant Magnetophonon Emission by Supersonic Electrons in Ultrahigh-Mobility Two-Dimensional Systems. Physical Review Letters, 2026; 136 (14) DOI: 10.1103/m1nb-j1h6