Наблюдая за странным поведением электронов в уникальном материале, ученые обнаружили новый путь к созданию квантовых компьютеров.
Физики из Университета Осаки впервые зафиксировали поведение так называемых «тяжелых фермионов» — электронов с аномально высокой эффективной массой. Выяснилось, что такие электроны находятся в состоянии квантовой запутанности, а динамика их взаимодействий регулируется Планковским временем — основной единицей времени в квантовой теории.
В обычных условиях электроны имеют малую массу и свободно перемещаются по материалу. Однако в некоторых веществах возникает удивительное явление: электроны проводимости начинают активно взаимодействовать с локализованными магнитными электронами, что приводит к увеличению их эффективной массы в сотни и даже тысячи раз. Такие «потяжелевшие» электроны проявляют совершенно иное поведение по сравнению с обычными и могут демонстрировать экзотические свойства, включая необычную сверхпроводимость.
Научная команда под руководством доктора Син-ичи Кимуры исследовала соединение церия, родия и олова (CeRhSn) — материал с уникальной кристаллической структурой, напоминающей японский узор кагоме. Необычная геометрия кристаллической решетки создает эффект «фрустрации» — ситуацию, когда система не может найти единственно стабильное состояние, что приводит к странным квантовым эффектам.
Проводя детальные измерения того, как материал реагирует на свет, ученые обнаружили, что тяжелые электроны в CeRhSn показывают аномальное поведение даже при комнатной температуре. Более того, время жизни этих электронов приближается к так называемому планковскому пределу — минимально возможному времени, необходимому для квантового процесса.
Квантовая запутанность — это явление, при котором частицы остаются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними — представляет собой ключевой ресурс для квантовых вычислений. До настоящего времени создание и поддержание запутанных состояний требовало сложных экспериментальных установок и крайне низких температур. Открытие японских ученых демонстрирует, что в твердых материалах такие состояния могут существовать при гораздо более естественных условиях.
Особенно интересным является то, что поведение всей системы можно охарактеризовать общей математической функцией. Это указывает на глубокую взаимосвязь между всеми тяжелыми электронами в материале — они функционируют не как отдельные частицы, а как единая квантовая система.
