Ето го и мостът между идеалния и реалния свят.

Международен екип от изследователи от Университета за наука и технологии за първи път експериментално откри специалните точки на Дирак. Това постижение, описано в списание Physical Review Letters, разкрива нови възможности за разработване на компютърни технологии от следващо поколение.

За да се осмисли откритието, е необходимо да се разберат фундаменталните принципи на квантовия свят. В класическата физика състоянието на частиците се характеризира с непрекъснат спектър от енергии – те могат плавно да преминават от едно енергийно състояние в друго. В квантовата механика картината е различна: частиците могат да се намират само в определени състояния, като стъпала на стълба. При специални условия няколко такива енергийни нива могат да съвпаднат – това явление се нарича дегенеративност.

В съвременната физика се разглеждат два вида процеси, описани с различни математически модели. Хермитианските системи (Hermitian systems) характеризират идеализирани затворени системи, в които енергията се запазва без загуби. Нехерметианските процеси, напротив, отчитат реалното взаимодействие с околната среда, включително разсейването на енергията и други природни явления.

В нехермитианските системи при определени условия възникват специални точки – уникални състояния, при които сливащите се енергийни нива проявяват необичайни свойства. За повече от век изследвания учените са успели експериментално да фиксират само два вида такива състояния. Те са открити в специални материали – полуметалите на Дирак и Вейл, които проявяват екзотични електронни свойства, дължащи се на специфичната структура на енергийните зони.

Сега китайски специалисти успяха да открият и потвърдят съществуването на трети тип – специалните точки на Дирак. Ръководителят на проекта Син Жун обяснява: тези състояния са уникални с това, че съчетават характеристиките на двата известни досега вида. От точките на Дирак, наблюдавани в системите на Хермит, те са наследили специалната симетрия на енергийните нива. От класическите специални точки на нехермитианските системи – способността да сливат състоянията си.

За експеримента изследователите са използвали диамантен кристал със специални дефекти – кухини, в които липсващите въглеродни атоми са заменени с азотни атоми. Тези азотни вакуумни центрове са идеални квантови системи от атомен мащаб: техните състояния могат да бъдат контролирани с най-висока точност с помощта на лазерно излъчване и микровълнови полета.

За да се създадат условия за появата на специалните точки на Дирак, е разработен специален математически модел – нехермитиански хамилтониан. Той включва специален компонент, оператора на квадрата на спина (Sz²), който е въведен в система от три нива. Спинът е вътрешният импулс на частицата – квантова характеристика, която няма аналог в класическата физика.

За да се реализира теоретичният модел в експеримента, е приложен иновативен метод на квантово разширение, разработен от същата научна група. Този подход позволява да се трансформира нехермитианска система в по-голяма хермитианска система, като се запазват всички важни физични свойства. Тази трансформация дава възможност да се измерят характеристики, които не могат да се наблюдават в оригиналната система.

Съществуването на сингулярната точка на Дирак беше потвърдено по два независими начина. Първо, те регистрираха валидни собствени стойности на енергията в близост до мястото – това означава, че системата остава стабилна въпреки нехермитианския си характер. Второ, те уловиха директно дегенерацията на квантовите състояния, където енергийните нива се сливат по специален начин.

Уникалността на открития ефект се състои в това, че енергийният спектър в близост до точката остава валиден, а не се усложнява, както е в случая с обикновените специални точки. Това свойство позволява адиабатна еволюция – плавна промяна на параметрите без резки скокове и загуби на енергия.

Това е от фундаментално значение за изучаването на геометричните фази – фундаментални характеристики, възникващи в резултат на цикличните промени в параметрите на квантовата система.

Според изследователите тяхното откритие може да бъде основа за създаването на по-съвършени устройства. Прецизният контрол върху състоянията на микрокосмоса е необходим за прилагането на изчислителни алгоритми и работата на високочувствителни измервателни устройства от ново поколение. В дългосрочен план това може да доведе до създаването на по-мощни квантови компютри и свръхпрецизни квантови сензори.