Науковці вперше експериментально спостерігали точки Дірака у квантових системах

Виняткові точки, відомі у фізиці як особливі типи виродження енергетичних рівнів, що виникають у негерметичних системах, вже понад століття привертають увагу науковців. До цього часу фізикам вдалося експериментально спостерігати лише два типи таких точок, які призводять до появи екзотичних фаз матерії в різних матеріалах, включаючи діраківські та вейлівські напівметали.

Спираючись на нещодавні теоретичні дослідження, група науковців з Університету науки і технологій Китаю поставила за мету експериментально виявити новий клас виняткових точок, відомих як точки Дірака. Їхнє дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, відкриває нові можливості для вивчення негерметичної динаміки та розробки протоколів надійного керування квантовими системами.

Старший автор дослідження Сін Ронг пояснює, що натхнення для цієї роботи походить від попереднього теоретичного дослідження, яке запропонувало новий тип виняткових точок. Цей різновид точок відрізняється від усіх експериментально спостережених виняткових точок за останні півстоліття. Дослідники поставили за мету перетворити теоретичне передбачення на експериментальну реальність.

Точки Дірака являють собою виродження, які теоретично поєднують два різні фізичні концепти: точки Дірака, що спостерігаються в герметичних системах, та виняткові точки, характерні для негерметичних систем. Головною метою роботи Ронга та його колег було успішно створити та спостерігати ці енергетичні виродження, використовуючи дефекти азот-вакансій у алмазі — квантові системи атомного масштабу в твердотільному матеріалі.

Дослідники розробили негерметичний гамільтоніан, що містить точки Дірака, шляхом введення оператора квадрата спіну в трирівневу негерметичну систему. Використовуючи раніше розроблений метод розширення, вони експериментально реалізували цей гамільтоніан за допомогою дефектів азот-вакансій в алмазі. Існування точки Дірака було підтверджено спостереженням дійсних власних значень поблизу точки та виродженням власних станів у самій точці.

Успішне спостереження точок Дірака, які з'являються завдяки герметичноподібній симетрії в негерметичних системах, може незабаром надихнути нові експериментальні роботи в цій галузі. Ці зусилля можуть допомогти краще зрозуміти ці нові енергетичні виродження та потенційно сприяти розробці нових надійних підходів до керування квантовими станами.

Особливістю точки Дірака є унікальний спектр власних значень з дійсними числами в її околі, що кидає виклик традиційному розумінню того, що типові виняткові точки невід'ємно пов'язані з комплексними власними значеннями. Ця характеристика уможливлює адіабатичну еволюцію в негерметичних системах, долаючи дисипативні ефекти, що відкриває значні перспективи для застосування в топологічній фізиці та протоколах квантового керування.

Дослідники сподіваються, що їхня робота стимулюватиме подальший прогрес у галузі негерметичної та квантової фізики. У майбутньому їхнє експериментальне спостереження точок Дірака може надати квантовим фізикам та інженерам перспективний шлях до досягнення кращого контролю над різними передовими квантовими технологіями, включаючи квантові датчики та комп'ютери.

Завдяки точкам Дірака можна уникнути неадіабатичних переходів, пов'язаних із типовими винятковими точками, що уможливить експериментальне дослідження складних геометричних фаз. Таким чином, успішне спостереження точки Дірака в цій роботі відкриває шлях до експериментального вивчення геометричної фази в негерметичних системах.