Представьте себе два одинаковых камертона. Если их поставить рядом и ударить по одному, второй тоже начнет звучать — это классическое явление резонанса, или линейной связи. В мире квантовой физики происходит нечто похожее, но куда более удивительное. Когда две крошечные колебательные системы, например, частицы в искусственном магните, связываются друг с другом, их общая частота колебаний расщепляется на две разные. Это похоже на то, как один чистый звук превращается в аккорд из двух нот. Разницу между этими «нотами» ученые называют раби-расщеплением. Долгое время считалось, чтобы услышать этот „аккорд“, систему нужно нарушить — изменить ее симметрию, например, внешним магнитным полем, сделав колебания изначально разными.

Раби-расщепление — это квантово-механическое явление, при котором частота колебания связанной системы (например, двух частиц или двух полей) разделяется на две отдельные частоты. Проще всего это представить на примере двух одинаковых маятников, слабо соединенных пружинкой. Если раскачать один, энергия начнет перекачиваться ко второму, и обратно. Но если рассматривать их как единую систему, она будет колебаться не с одной частотой исходных маятников, а с двумя новыми: одна чуть ниже исходной, другая — чуть выше. Разница между этими двумя новыми частотами и есть раби-расщепление. Это индикатор силы связи между компонентами системы.

Но группа исследователей под руководством доцента Ааканши Суд из Университета Тохоку совершила неожиданное открытие. Им удалось добиться раби-расщепления, не нарушая внутреннюю симметрию системы.

Подробности опубликованы в издании Physical Review Letters.

Обычно для наблюдения раби-расщепления в искусственных магнитах вам необходимо нарушить симметрию системы, — объясняет профессор Шигеми Мидзуками. — Поэтому мы были поражены, когда и наши эксперименты, и теоретические выкладки показали, что этот эффект может возникать при полном сохранении симметрии.

Секрет их метода в использовании нелинейной связи. Ученые пропустили через искусственный магнит мощный радиочастотный ток. Его высокая энергия заставила колебательные системы взаимодействовать нелинейно, то есть гораздо более интенсивно и сложно, чем при обычном линейном резонансе. Это позволило энергии перетекать между модами контролируемым образом, вызывая расщепление, в то время как система оставалась идеально сбалансированной. Это открытие ломает старые представления и открывает новые пути для изучения нелинейной динамики и управления сложными квантовыми системами.

Теперь команда планирует использовать этот подход для создания устройств сверхбыстрой обработки сигналов.

Реальная польза этого исследования лежит в фундаментальной плоскости управления квантовыми состояниями. Оно предлагает новый «чистый» инструмент для манипуляции энергией в микроустройствах без необходимости вносить в них структурные искажения или создавать сильные внешние поля. В перспективе это может привести к созданию:

• Более энергоэффективных и миниатюрных сенсоров магнитного поля.
• Элементов квантовых компьютеров, где информация кодируется в магнонных состояниях, а нелинейная связь позволяет выполнять логические операции.
• Устройств обработки сигналов на новых физических принципах, где данные кодируются не амплитудой, а частотой колебаний, что потенциально быстрее и помехоустойчивее.

Основное замечание касается практической реализации метода. Для достижения нелинейной связи требовались большие радиочастотные токи. Высокая мощность может приводить к непреднамеренному нагреву и дестабилизации тонкой квантовой системы, что потенциально затрудняет ее интеграцию в низкоэнергетические и миниатюрные электронные устройства. Таким образом, ключевым вызовом для будущих прикладных работ станет снижение необходимой мощности управления до уровней, совместимых с современной микроэлектроникой.

Ранее ученые объяснили, почему маленький музыкальный трегольник звучит как большой оркестр.