Cercetătorii au observat experimental o tranziție de fază superradiantă, un fenomen cuantic colectiv prezis teoretic în urmă cu mai multe decenii.
Această stare a materiei a fost identificată într-un material solid supus unor condiții extreme, deschizând perspective pentru dezvoltarea tehnologiilor cuantice.
Predicția inițială datează din 1954, când fizicianul Robert H. Dicke a postulat că un ansamblu mare de atomi excitați ar putea emite lumină în mod sincronizat, un fenomen denumit superradianță.
Dicke a teoretizat ulterior că, în condiții specifice, această emisie coordonată ar putea induce o tranziție de fază completă, similară transformării apei în gheață, rezultând într-o nouă stare colectivă a materiei, cunoscută sub numele de tranziție de fază superradiantă (SRPT).
Timp de decenii, observarea acestui fenomen a fost împiedicată de dificultăți teoretice și experimentale, inclusiv de limitări care păreau să interzică acest tip de tranziție în sisteme cuantice convenționale interacționând prin lumină.
Recent, într-un studiu publicat în revista Science Advances, o echipă de la Universitatea Rice din Statele Unite a raportat inducerea și observarea SRPT într-un material solid.
Experimentul a implicat utilizarea unui cristal compus din erbiu, fier și oxigen, răcit la o temperatură apropiată de zero absolut (-271,67 °C) și expus unui câmp magnetic extrem de intens, de peste 100.000 de ori mai puternic decât cel terestru.
În aceste condiții, cercetătorii au constatat că două subsisteme de particule din cristal, ionii de fier și ionii de erbiu, au manifestat fluctuații colective coordonate, conform predicțiilor modelului Dicke.
Un aspect distinctiv al acestui experiment este că interacțiunile care au condus la SRPT nu au fost mediate de fotoni (lumină), ci de unde magnetice cunoscute sub numele de magnoni.
Magnonii reprezintă excitații colective ale spinilor (momentele magnetice intrinseci ale particulelor) într-un material magnetic.
În contextul experimentului, magnonii generați de ionii de fier au jucat un rol similar celui atribuit fluctuațiilor vidului cuantic în teoria originală, permițând ocolirea limitărilor teoretice care au prevenit observarea SRPT în alte sisteme.
Dovezile experimentale au constat în modificări clare ale semnalelor energetice provenite de la cristal, indicând tranziția către noua stare colectivă.
Dincolo de confirmarea unei predicții teoretice îndelungate, observarea SRPT ar putea avea implicații semnificative în domeniul informaticii cuantice. Fenomenul ar putea contribui la stabilizarea stărilor cuantice ale qubiților, unitățile fundamentale de informație cuantică.
Zgomotul cuantic, o perturbare majoră care afectează stabilitatea și măsurarea qubiților, ar putea fi redus în sistemele care manifestă SRPT.
Aceasta ar putea conduce la dezvoltarea unor qubiți mai stabili și mai puțin predispuși la erori, la realizarea unor măsurători mai precise pentru senzorii cuantici și, potențial, la crearea unor porți logice cuantice mai rapide.
Un alt avantaj potențial derivă din natura colectivă a fenomenului SRPT.
Implicând un număr mare de particule sincronizate, această stare ar putea oferi o protecție intrinsecă împotriva decoerenței, procesul prin care sistemele cuantice își pierd proprietățile specifice din cauza interacțiunii cu mediul înconjurător.
Această abordare, bazată pe sisteme care se auto-stabilizează prin interacțiuni interne, este considerată promițătoare pentru creșterea fiabilității și a duratei de viață a informației cuantice, precum și pentru miniaturizarea viitoarelor procesoare cuantice.
Deși observarea SRPT reprezintă un pas fundamental, transpunerea acestei descoperiri în aplicații tehnologice necesită cercetări suplimentare.
Totuși, rezultatele sugerează că acest fenomen ar putea contribui la îmbunătățirea fidelității, sensibilității și performanței senzorilor și computerelor cuantice.
