Исторический эксперимент: Ученые доказали существование квантовых «гибридов» — исключительных точек Дирака
Квантовая физика — это область, где интуиция часто пасует. Частицы могут быть в нескольких местах одновременно, коты — одновременно живы и мертвы (хотя бы в мысленном эксперименте), а энергия ведет себя порой совершенно контринтуитивно. Одним из таких странных уголков квантового мира являются системы, которые не подчиняются привычным законам сохранения энергии — так называемые неэрмитовы системы. И именно в них недавно удалось экспериментально поймать совершенно новый, почти мифический объект — исключительную точку Дирака. Звучит сложно? Давайте разбираться.
Что за звери эти «исключительные точки»?
Представьте себе обычную, хорошо настроенную гитару. Каждая струна имеет свою частоту колебаний, свою ноту. В физике это аналогично энергетическим уровням частицы. В «идеальных» системах (физики называют их эрмитовыми) эти уровни четкие, и энергия никуда не девается. Все предсказуемо, как в учебнике.
Но реальный мир сложнее. Системы взаимодействуют с окружением, теряют или приобретают энергию. Представьте гитару, у которой одна струна постоянно расстраивается или дребезжит — это уже ближе к неэрмитовой системе. В таких «неидеальных» системах энергетические уровни могут вести себя очень странно.
Исключительные точки (ИТ) — это особые состояния в неэрмитовых системах, где происходит нечто из ряда вон выходящее. Это не просто точки, где два энергетических уровня случайно совпадают по значению (такое бывает и в обычных системах). В ИТ сливаются не только энергии, но и сами состояния частиц. Они становятся неразличимы, как две капли воды, слившиеся в одну. Более века физики знали о них теоретически, но экспериментально до недавнего времени удавалось наблюдать лишь два типа таких точек. И вот, свершилось — обнаружен третий, совершенно особенный тип.
Скрещивая нескрещиваемое: Рождение исключительной точки Дирака
В чем же уникальность нового открытия? Дело в том, что обнаруженные китайскими учеными исключительные точки Дирака — это гибрид двух концепций из, казалось бы, разных миров.
С одной стороны, есть «обычные» исключительные точки из мира неэрмитовых систем (тех, что теряют или получают энергию). С другой — есть точки Дирака, известные из физики эрмитовых систем (тех, что энергию сохраняют, как в учебнике). Точки Дирака — это особые точки пересечения энергетических уровней в некоторых материалах, например, в графене, которые наделяют эти материалы удивительными свойствами.
Теоретики предположили: а что, если можно создать систему, где эти два явления — исключительная точка и точка Дирака — как бы сливаются воедино? Получится нечто, обладающее свойствами обоих «родителей». Это и есть исключительная точка Дирака (ИТ Дирака). До недавнего времени это была лишь красивая теория. Команда из Научно-технического университета Китая под руководством Син Жуна решила превратить эту теорию в реальность.
Алмазный скальпель для квантов: Как это сделали?
Для создания и наблюдения такого экзотического объекта нужен был подходящий инструмент. И он нашелся — это азотно-вакансионные центры (NV-центры) в алмазе. Что это такое? Представьте себе кристалл алмаза, где в идеальной решетке из атомов углерода один атом заменили на атом азота, а рядом с ним убрали еще один атом углерода, оставив «дырку» — вакансию. Этот крошечный дефект ведет себя как стабильная квантовая система, которой можно довольно точно управлять с помощью лазеров и микроволн. Идеальная лаборатория на кончике иглы!
Исследователи использовали такой NV-центр и, применяя хитроумные методики (включая ранее разработанный ими «метод дилатации»), заставили его вести себя как специфическая трехуровневая неэрмитова система. Они буквально «сконструировали» нужный им гамильтониан (математическое описание энергии системы), добавив туда специальный член, отвечающий за появление ИТ Дирака.
Как же они поняли, что у них получилось? По характерным признакам. Вблизи «обычных» ИТ энергетические уровни обычно становятся комплексными числами (включают мнимую единицу i), что отражает потерю или приобретение энергии. А вот вблизи ИТ Дирака, как и предсказывала теория, энергетические уровни оставались действительными числами! И, конечно, в самой точке ИТ Дирака наблюдалось то самое слияние, вырождение квантовых состояний. Эксперимент совпал с теорией.
Почему это важно? Новые правила для квантового мира?
Ну хорошо, нашли новую точку. Что с того? Оказывается, это открытие может серьезно повлиять на то, как мы управляем квантовыми системами.
Главная фишка ИТ Дирака — те самые действительные энергетические уровни поблизости. Это свойство бросает вызов стандартному пониманию ИТ. Но важнее другое: это открывает путь к так называемой адиабатической эволюции в неэрмитовых системах.
Что это значит? Представьте, что вам нужно плавно изменить состояние квантовой системы, не «расплескав» его, не вызвав резких скачков в другие состояния. Это и есть адиабатическое управление — медленное и аккуратное. В обычных неэрмитовых системах с их комплексными энергиями и резкими ИТ это сделать очень сложно, система легко «срывается» с нужной траектории. А вот ИТ Дирака, благодаря своей «эрмитово-подобной» природе (действительным энергиям рядом), позволяют обходить эти проблемы. Можно аккуратно провести систему через окрестности такой точки, не боясь диссипации (потерь) и нежелательных переходов. Это как найти тихую заводь в бурной реке.
Какие перспективы это открывает?
- Квантовое управление: Появляется новый, потенциально более надежный инструмент для манипуляции квантовыми состояниями. Это критически важно для создания стабильных кубитов в квантовых компьютерах и повышения точности квантовых сенсоров.
- Изучение геометрических фаз: Есть такие тонкие квантовые эффекты — геометрические фазы (фазы Берри), которые зависят не только от начального и конечного состояния системы, но и от «пути», который она прошла. Изучать их в неэрмитовых системах было сложно как раз из-за проблем с адиабатическим управлением. ИТ Дирака могут снять это ограничение.
- Топологическая физика: ИТ и точки Дирака играют важную роль в топологической физике, изучающей свойства материалов, которые не меняются при плавных деформациях. Новый гибридный объект может привести к открытию новых экзотических топологических фаз материи.
Заглядывая в будущее
Успешное экспериментальное наблюдение исключительных точек Дирака — это не просто галочка в списке теоретических предсказаний. Это открытие нового физического явления со своими уникальными свойствами. Оно не только углубляет наше понимание фундаментальных законов квантового мира (особенно его «неидеальной», неэрмитовой стороны), но и дает в руки инженерам и физикам новый потенциально мощный инструмент.
Конечно, путь от лабораторного эксперимента до реальных квантовых компьютеров или сенсоров, использующих этот эффект, еще долог. Но первый, самый важный шаг сделан. Физики показали, что даже в мире квантовой странности можно находить элегантные решения для управления самыми деликатными системами. И кто знает, какие еще гибриды и необычные явления ждут своего открытия на стыке разных областей физики? Похоже, квантовый мир готовит нам еще немало сюрпризов.
