Новые доказательства существования аномальной фазы материи приближают энергоэффективные технологии

Исследователи обнаружили доказательства существования аномальной фазы материи, существование которой было предсказано в 1960-х годах. Использование ее свойств может проложить путь к новым технологиям, способным обмениваться информацией без потерь энергии.

Об этих результатах сообщается в журнале Science Advances.

Исследуя квантовый материал, ученые из Кембриджского университета, возглавлявшие исследование, заметили наличие неожиданно быстрых волн энергии, проходящих через материал, когда они подвергали его воздействию коротких и интенсивных лазерных импульсов. Они смогли сделать эти наблюдения, используя микроскопическую скоростную камеру, которая может отслеживать небольшие и очень быстрые движения в масштабе, который является сложным для многих других методов. Эта техника исследует материал с помощью двух световых импульсов: первый возмущает его и создает волны — или колебания — распространяющиеся наружу по концентрическим кругам, подобно тому, как если уронить камень в пруд; второй световой импульс делает снимок этих волн в различные моменты времени. Собранные вместе, эти изображения позволили им посмотреть, как ведут себя эти волны, и понять их "предел скорости".

"При комнатной температуре эти волны движутся со скоростью, составляющей сотую часть скорости света, что гораздо быстрее, чем мы могли бы ожидать в обычном материале. Но когда мы переходим к более высоким температурам, возникает ощущение, что пруд замерз", — пояснила первый автор работы Хоуп Бретшер, проводившая исследование в Кавендишской лаборатории Кембриджа. "Мы вообще не видим, как эти волны отходят от камня. Мы долго искали, почему может происходить такое странное поведение".

Единственное объяснение, которое, казалось, соответствовало всем экспериментальным наблюдениям, заключалось в том, что в материале при комнатной температуре присутствует фаза материи "экситонный изолятор", которая, хотя и была теоретически предсказана, не была обнаружена в течение десятилетий.

"В экситонном изоляторе наблюдаемые волны энергии поддерживаются нейтральными по заряду частицами, которые могут двигаться со скоростями, подобными электронным. Важно то, что эти частицы могут переносить информацию без помех со стороны механизмов рассеяния, которые в большинстве обычных материалов воздействуют на заряженные частицы, такие как электроны", — говорит доктор Акшай Рао из Кавендишской лаборатории, возглавлявший исследование. "Это свойство может обеспечить более простой путь к энергосберегающим вычислениям при комнатной температуре, чем сверхпроводимость".

Затем команда из Кембриджа совместно с теоретиками со всего мира разработала модель того, как существует эта экситонная изолирующая фаза, и почему эти волны ведут себя таким образом.

"Теоретики предсказали существование этой аномальной фазы еще несколько десятилетий назад, но экспериментальные трудности, связанные с получением доказательств этого, привели к тому, что только сейчас мы можем применить ранее разработанные основы, чтобы получить более полное представление о том, как она ведет себя в реальном материале", — прокомментировал Юта Мураками из Токийского технологического института, участвовавший в исследовании.

"Бездиссипативная передача энергии бросает вызов нашему нынешнему пониманию транспорта в квантовых материалах и открывает теоретикам новые возможности для будущих манипуляций с ними", — сказал автор работы Денис Голе, сотрудник Института имени Юзефа Стефана и Университета Любляны.

"Эта работа делает нас на шаг ближе к созданию невероятно энергоэффективных приложений, которые смогут использовать это свойство, в том числе в компьютерах", — заключил д-р Рао.