Kadar kvantni delci ne delujejo vsak zase, temveč usklajeno, lahko nastanejo pojavi, ki presegajo vsoto posameznih prispevkov. Eden takšnih je supersevanje – kolektivna emisija energije, pri kateri skupina kvantnih sistemov odda signal bistveno močnejši, kot bi ga lahko ustvaril kateri koli delec sam. Do zdaj je ta pojav veljal predvsem za nezaželen stranski učinek, saj je kvantnim sistemom hitro odvajal energijo in s tem omejeval njihovo uporabnost v tehnologiji.
Novejši eksperimentalni in teoretični rezultati pa kažejo drugačno sliko. Raziskava, objavljena v reviji Nature Physics, razkriva, da lahko kolektivni učinki supersevanja v določenih razmerah vodijo do presenetljivo stabilnih in dolgoživih mikrovalovnih signalov. Gre za preobrat v razumevanju pojava, ki je bil še nedavno sinonim za izgube in nestabilnost.
Raziskovalna skupina, v kateri so sodelovali znanstveniki s Tehnološke univerze na Dunaju in z Okinawski inštitut za znanost in tehnologijo, je prvič eksperimentalno pokazala pojav tako imenovanega samoinduciranega supersevalnega maserja. To pomeni, da sistem brez zunanjega pogona spontano ustvari dolgotrajne izbruhe mikrovalovnega sevanja.
Na Okinawskem inštitutu za znanost in tehnologijo poudarjajo, da je ključno presenečenje v tem, kako se sistem sam organizira. Interakcije, ki so jih fiziki dolgo obravnavali kot vir šuma in razpada koherence, se v tem primeru izkažejo kot gonilo stabilne emisije. Po besedah raziskovalcev Okinawskega inštituta takšno vedenje kaže, da kvantni sistemi zmorejo iz nereda ustvariti red, če so pogoji ustrezno nastavljeni.
Diamantni spin in mikrovalovna votlina
V središču eksperimenta je bil diamant z visoko gostoto centrov dušikovih praznin, znanih kot NV-centri. Gre za drobne atomske nepravilnosti, v katerih so ujeti elektronski spini, delujoči kot miniaturni magneti. Raziskovalci so tak sistem povezali z mikrovalovno votlino in opazovali njegovo obnašanje.
Najprej se je pojavil klasičen, kratek izbruh supersevanja, nato pa – nepričakovano – zaporedje ozkih in dolgoživih mikrovalovnih impulzov. Okinawski inštitut za znanost in tehnologijo navaja, da so obsežne računalniške simulacije pokazale vzrok v samoinduciranih interakcijah med spini. Te interakcije dinamično obnavljajo energijske nivoje in omogočajo, da sistem oddaja signal brez stalnega zunanjega napajanja.
Takšno “samopoganjanje” razkriva povsem nov način kolektivnega kvantnega vedenja. Na Okinawskem inštitutu izpostavljajo, da gre za temeljni vpogled, ki presega konkretni eksperiment in odpira nova teoretična vprašanja o stabilnosti kvantnih sistemov.
Od osnovne fizike do uporabnih tehnologij
Čeprav je odkritje pomembno že na ravni temeljne znanosti, so možne tudi zelo konkretne aplikacije. Dolgoživi in izjemno stabilni mikrovalovni signali so ključni za natančne ure, navigacijske sisteme in komunikacijske tehnologije. Okinawski inštitut za znanost in tehnologijo poroča, da bi lahko takšni kvantni viri v prihodnje izboljšali delovanje sistemov, na katerih temeljijo satelitska navigacija, radarji in kvantne komunikacije.
Poleg tega raziskovalci opozarjajo na potencial na področju senzorike. Kolektivni kvantni pojavi bi lahko povečali občutljivost senzorjev za zaznavanje zelo šibkih magnetnih ali električnih polj, kar bi bilo uporabno v medicinskem slikanju, znanosti o materialih in okoljskem monitoringu. Na Okinawskem inštitutu poudarjajo, da je prav povezava med globokim razumevanjem kvantnega vedenja in razvojem novih orodij tisto, kar daje temu odkritju širši pomen.
Raziskava tako ne prinaša le nove razlage supersevanja, temveč kaže, kako se lahko pojavi, ki so dolgo veljali za oviro, preoblikujejo v prednost. V tem smislu delo znanstvenikov, pri katerem ima pomembno vlogo tudi Okinawski inštitut za znanost in tehnologijo, ponuja vpogled v smer, v katero bi se lahko razvijale kvantne tehnologije prihodnjih desetletij.
