Okazuje się, że w materiałach nadprzewodzących zaobserwowano dziwne “kwantowe echo”, różniące się od wszystkiego, co dotychczas znano w fizyce materii skondensowanej. To niecodzienne odkrycie rodzi pytania o jego praktyczne zastosowania w rozwijającej się dziedzinie technologii kwantowych.
Tajemnicze odbicia w nadprzewodnikach
Zespół badaczy z Ames National Laboratory i Iowa State University przyjrzał się w ramach swojego projektu badawczego niobowi, powszechnie stosowanemu w obwodach kwantowych. Wykorzystując spektroskopię terahercową, naukowcy natrafili na zjawisko nazwane “echem Higgsa”. Powstaje ono wskutek skomplikowanych interakcji między modami Higgsa a kwazicząstkami.
To echo wykazuje kilka charakterystycznych właściwości. Powoduje ponowne fazowanie pików spektralnych przy częstotliwościach przerwy nadprzewodzącej, wykazuje asymetryczne opóźnienia formowania odmienne od obserwowanych w innych materiałach oraz generuje sygnały w czasie ujemnym. Te ostatnie wynikają z anharmonicznych interakcji między modami Higgsa a kwazicząstkami.
Czytaj także: Chiny mają kwantowe połączenie na rekordową odległość. Tak wygląda przyszłość komunikacji
Do wykrycia zjawiska potrzebna była zaawansowana spektroskopia koherentna THz-2D, pozwalająca rozróżnić różne ścieżki kwantowe. Badania opublikowane w Science Advances w czerwcu 2025 roku dokumentują pierwszy przypadek obserwacji takich sygnałów przy częstotliwości mody Higgsa.
Złożona natura zjawiska
Procesy wzbudzenia modów Higgsa w nadprzewodnikach niobowych okazały się proporcjonalne do czwartej potęgi natężenia pola terahercowego. Ta nieliniowość wskazuje na przełamanie symetrii wywołane światłem, umożliwiając rezonansowe sprzężenie modów Higgsa z efektywnym polem elektromagnetycznym.
Badany materiał przechodzi w stan nadprzewodzący w temperaturze około 9,4 Kelwina, posiadając przerwę nadprzewodzącą o wartości 3,2 meV. Przy współczynniku rozpraszania około 6 meV próbkę można zaklasyfikować jako działającą w reżimie pośrednim między idealną czystością a znacznym rozpraszaniem.
Praktyczne perspektywy
Odkrycie rodzi pytania o potencjał w technologiach kwantowych. Zjawisko pozwala na zapisywanie i odtwarzanie ukrytych ścieżek kwantowych w materiale nadprzewodzącym. Dzięki precyzyjnie zsynchronizowanym impulsom promieniowania terahercowego możliwe staje się kodowanie i odzyskiwanie informacji kwantowej.
Teoretycznie technologia mogłaby znaleźć zastosowanie w tworzeniu stabilniejszych kubitów kwantowych. Echo Higgsa działa jak swego rodzaju “kratka czasowa” modulująca przerwę nadprzewodzącą, co teoretycznie umożliwia kontrolowane manipulowanie stanami kwantowymi. Trzeba jednak przyznać, że od laboratorium do praktycznego zastosowania droga bywa daleka.
Wyzwania detekcyjne
Rozwój technologii kwantowych napotyka na ograniczenia w dziedzinie detekcji. Detektory pojedynczych fotonów reprezentują niezwykle czułą technikę wykrywania światła, zdolną do rejestracji pojedynczych fotonów przy minimalnym natężeniu.
Wśród dostępnych rozwiązań znajdują się lawinowe fotodiody pojedynczych fotonów, nadprzewodnikowe detektory z nanodrutów oraz czujniki na krawędzi przejścia. Każdy typ ma swoje specyficzne mechanizmy działania i potencjalne zastosowania. Nadprzewodnikowe detektory z nanodrutów, wykorzystujące materiały takie jak azotek niobu, mogą osiągnąć skuteczność bliską 100%. Ich szybki czas resetu, niska częstotliwość zliczeń ciemnych i minimalne fluktuacje czasowe czynią je teoretycznie atrakcyjnymi do zastosowań kwantowych.
Warto jednak pamiętać, że wciąż przed naukowcami istotne wyzwania, w tym wysokie koszty produkcji, złożoność systemów oraz konieczność pracy w ekstremalnie niskich temperaturach. Przeszkodą jest także tworzenie większych matryc detekcyjnych i rozszerzenie zakresu wykrywania na średnią i daleką podczerwień.
Odkrycie echa Higgsa w nadprzewodnikach stanowi istotny krok w zrozumieniu kwantowych właściwości materii. Połączenie tego zjawiska z rozwijającymi się technologiami detekcji może potencjalnie przyspieszyć rozwój praktycznych zastosowań obliczeń kwantowych. Choć entuzjazm jest zrozumiały, warto zachować zdrowy sceptycyzm – historia fizyki zna wiele obiecujących odkryć, które nigdy nie wyszły poza mury laboratoriów.