Терагерцовое излучение превратило магноны в фононы
Российские и нидерландские физики подробно исследовали магнон-фононную связь в кристалле дифторида кобальта, усиленную терагерцовым излучением. Они показали, что в резонансных условиях накачка фононных мод излучением опосредована магнонными возбуждениями и поэтому происходит нелинейно. Исследование опубликовано в Science.
Концепция квазичастиц — это одна из самых плодотворных идей, придуманных в физике. Без нее невозможно представить изучение объектов, состоящих из большого числа атомов, в первую очередь конденсированных сред. Квазичастицы не только позволили углубить наше понимание процессов, происходящих в них, но и послужили драйвером развития теоретической физики как таковой, включая физику элементарных частиц. Подробнее о том, какие бывают квазичастицы, вы можете прочитать в материале «Квантовая азбука: „Зоопарк квазичастиц“».
Чаще всего квазичастицы появляются в виде каких-либо счетных элементарных возбуждений в средах, находящихся в основном состоянии, обычно упорядоченном. Примером могут служить фононы, которые описывают распространение по кристаллической решетке порций колебательных возмущений. Похожим образом в физике появились магноны — возмущения спинового порядка. Разные типы возбуждений могут вступать во взаимодействие, причем его интенсивность зависит от множества факторов. В частности, физики исследуют влияние света терагерцового диапазона на возможность управления магнон-фононной связью, однако характер образующейся нелинейности пока плохо изучен.
Алексей Кимель (Alexey Kimel) из Университета Радбауда с коллегами из МФТИ, Института общей физики имени Прохорова РАН и Физико-технического института имени Иоффе РАН подробнее изучили процесс перетекания энергии из спиновых в решеточные степени свободы, индуцированного терагерцовым излучением, на примере дифторида кобальта. Этот материал известен тем, что ниже температуры Нееля он проявляет коллинеарный антиферромагнетизм с сильным пьезомагнитным эффектом, что делает его подходящим кандидатом для исследования магнон-фононной связи. Проблема, однако, в том, что существует зазор между частотами обоих резонансов, равных 1,14 и 1,94 терагерца соответственно. Именно эту разницу и призвано восполнить электромагнитное излучение.
Для этого физики направляли широкополосные терагерцовые импульсы накачки вдоль оси намагниченности обеих подрешеток кристалла. И магнитные, и колебательные возбуждения создавали в решетке круговое и линейное двулучепреломление, которое авторы считывали с помощью инфракрасного зондирующего импульса. Зависимость поворота поляризации зондирующего излучения от времени носила осцилляционный характер ниже температуры Нееля. Спектр этих осцилляций состоял из магнонных и фотонных мод, а амплитуда соответствующих компонент несла информацию о степени их возбуждения.
Анализируя зависимость амплитуд от мощности импульса, выраженной через магнитное поле, физики заметили, что спиновые колебания усиливаются по линейному закону, в то время как колебания решетки — по квадратичному. Это свидетельствует о нелинейном, двухфотонном характере рождения фононов. Сравнение экспериментальных зависимостей с модельными вычислениями показало, что этот процесс происходит через промежуточное рождение магнонов.
Чтобы лучше в этом убедиться, ученые провели дополнительную серию экспериментов, в которых в накачке участвовало уже два терагерцовых импульса с переменной задержкой. Авторы следили за зависимостью нелинейного вклада в амплитуды от времени задержки между импульсами накачки, а также между зондирующим импульсом. Для его вычисления они вычитали из сигнала вклады, при которых оба импульса поочередно заглушались. Производя Фурье-преобразование получившейся двумерной зависимости, физики зафиксировали четкий резонанс в точке с координатами, равными частотам магнонных и фононных возбуждений, соответственно.
Магноника — это сравнительно молодой раздел квантовой электроники, в котором уже достигнуты существенные результаты. Мы уже рассказывали, как физики обнаружили магноны в ферромагнетиках при температурах выше точки Кюри, и как они предложили измерять их когерентность с помощью кросс-корреляционного интерферометра.
Марат Хамадеев
Для этого их разнесли более чем на 30 метров
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Все вместе это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки. Исследование опубликовано в Nature. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой механики. Вместе с Подольским и Розеном он в 1935 году написал статью с описанием парадокса — мысленного эксперимента с двумя разнесенными частицами, квантовая связь между которыми якобы нарушала принцип причинности. В 1964 году Джон Белл предложил математический способ, как с помощью неравенств доказать, на самом ли деле квантовая механика управляется вероятностными законами, или в ее основе лежат некие, еще не понятые физиками скрытые параметры. Экспериментальная проверка неравенств Белла началась лишь спустя десятилетия, подтвердив ошибочность теории скрытых параметров. Подробнее об этой истории мы писали в материале «Бог играет в эти игры», посвященному Нобелевской премии по физике 2022 года. Проверка неравенств Белла — это не единомоментный процесс. Каждая следующая экспериментальная реализация оставляла небольшие лазейки, которыми можно было бы объяснить опыт, не отказываясь от локальной теории скрытых переменных. Но с 2015 года физикам наконец-то удалось закрыть их все, сначала с помощью дефектов в алмазе, затем фотонов и плененных атомов. Теперь же очередь дошла и до проверок без лазеек на сверхпроводящих кубитах. Это случилось благодаря Зимону Шторцу (Simon Storz) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллегам из Испании, Канады, США, Франции и Швейцарии. Им удалось провести проверку для кубитов, разнесенных более, чем на 30 метров. Благодаря такому большому расстоянию и высокой скорости считывания физики показали, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на исход проверки, даже двигаясь от одного кубита к другому на световой скорости. С самых первых белловских экспериментов физики находили и закрывали множество лазеек. Например, недостатком эксперимента на фотонах долгое время было малое число запутанных пар. Из-за этого всегда можно было утверждать, что набранная статистика отражает лишь свойства некоторого подмножества от полного множества, в котором неравенства выполняются. Однако в конечном счете гипотезу о скрытых параметрах можно отвергнуть, если гарантировать, что никакой скрытый сигнал — во всяком случае, на световой или досветовой скорости — не успеет передаться от одного измерения до другого. Для этого кубиты должны быть достаточно далеко, а время считывания должно быть достаточно коротким. Наконец, физики обязаны накопить приличную статистику измерений, прежде чем делать выводы. Решению этих технических задач для сверхпроводящей платформы была посвящена работа авторов. Такие кубиты основаны на способности тока находится в суперпозиции направлений течения в сверхпроводящем контуре. Для их запутывания необходимо передавать между кубитами микроволновые фотоны, причем канал их передачи также должен находится при сверхнизких температурах. Ученые справились со своей задачей, разместив свои криостаты в подземных помещениях. Ключом к успеху стало достижение времени считывания, равного 50 наносекундам, со степенью совпадения 98 процентов. Расчеты показали, что, достаточно будет разделить события проверки кубитов 33 метрами. В этом случае у физиков остается запас в 10 наносекунд, которого достаточно, чтобы закрыть лазейку — скрытый сигнал не успеет повлиять на результат. Чтобы минимизировать разрушение запутанности, переносимой микроволновыми фотонами по волноводу, физики упаковывали последний в 30-метровую трубу, в которой поддерживали температуру 50 милликельвин. Сами кубиты содержались при температуре в 20 милликельвин. Всего ученые провели четыре последовательных эксперимента, в каждом из которых было более миллиона тестов. В результате статистический параметр неравенства оказался равен S = 2,0747 ± 0,0033 — другими словами, неравенства Белла нарушаются со значимостью в 22 стандартных отклонения. Помимо самого факта белловской проверки без лазейки, работа авторов прокладывает технологический путь к построению распределенных квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов. Недавно мы рассказывали об аналогичных успехах для ионных кубитов — там квантовую запутанность передали на 230 метров.