Квантовые материалы — это удивительные вещества, которые под действием внешних воздействий могут проявлять необычные свойства. Но есть проблема: как только воздействие прекращается, эти состояния исчезают за доли секунды, что мешает их практическому использованию. Ученые из Гарварда и Института Пауля Шеррера нашли способ продлить жизнь таким нестабильным состояниям и изучить их с помощью мощных рентгеновских импульсов SwissFEL.

Результаты опубликованы в издании Nature Materials.

Некоторые материалы скрывают в себе квантовые феномены, способные перевернуть технологии — от сверхпроводников до батарей нового поколения. Но в обычном состоянии эти свойства не видны.

Чтобы их разбудить, ученые используют сверхкороткие световые импульсы, которые меняют структуру материала и заставляют его вести себя иначе.

Правда, эффект длится всего несколько пикосекунд — слишком мало для реальных применений. Лишь в редких случаях удается добиться более долгого сохранения таких состояний, но механизмы этого до конца не ясны.

Команда исследователей решила эту задачу, манипулируя симметрией электронных состояний в оксиде меди. С помощью рентгеновского лазера SwissFEL они показали, что правильно подобранный лазерный импульс может создать «метастабильное» состояние, которое живет несколько наносекунд — в тысячу раз дольше обычного.

Как это работает

Материал, который изучали ученые, — Sr₁₄Cu₂₄O₄₁ — имеет почти одномерную структуру, напоминающую цепочки и лестницы из атомов меди и кислорода. Такая простота делает его идеальной моделью для изучения квантовых эффектов.

• В обычном состоянии электроны в цепочках и лестницах не перемещаются из-за симметрии.
• Лазерный импульс нарушает эту симметрию, и электроны начинают туннелировать между участками.
• Когда импульс заканчивается, система «запирается» в новом состоянии, которое живет достаточно долго для измерений.

Рентгеновские импульсы SwissFEL позволили зафиксировать этот процесс в реальном времени. Метод, называемый резонансным неупругим рассеянием рентгеновских лучей (RIXS), помог увидеть, как именно электроны перестраиваются и как возникает метастабильность.

Этот эксперимент стал первым в новой лаборатории Furka, и теперь установку усовершенствовали для еще более точных измерений.

Почему это важно

Если научиться стабилизировать подобные состояния, это откроет путь к созданию:

• Молниеносных оптико-электронных устройств.
• Энергоэффективной памяти для квантовых компьютеров.
• Новых способов передачи информации с помощью света.

Этот прорыв дает инструмент для управления квантовыми состояниями, что критично для разработки материалов с программируемыми свойствами. Например, можно создать переключатели, работающие на сверхвысоких частотах, или элементы памяти, сохраняющие данные без потерь энергии. В перспективе — более эффективные солнечные панели и сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

Хотя метод впечатляет, он пока работает только в лабораторных условиях при сверхнизких температурах и требует дорогостоящего оборудования. Вопрос масштабирования технологии на промышленный уровень остается открытым.

Ранеее ученые открыли новый метод создания квантовых материалов.