Создав уникальную передовую машину, учёные создали структуру с квантовыми свойствами. Зелёное окно (справа) — это основная камера роста, в которой происходит синтез квантовых «бутербродов». В янтарном окне (слева) находятся передовые инструменты для определения характеристик, которые выявляют химические и электронные свойства выращенных квантовых тонких плёнок, не подвергая их воздействию воздуха. Фото: Джефф Арбан
Международная группа исследователей под руководством учёных из Университета Рутгерса в Нью-Брансуике объединила два синтезированных в лаборатории материала в синтетическую квантовую структуру, существование которой когда-то считалось невозможным, и создала экзотическую структуру, которая, как ожидается, даст представление о новых материалах, лежащих в основе квантовых вычислений.
Работа, описанная в статье на обложке журнала Nano Letters, объясняет, как четыре года непрерывных экспериментов привели к созданию нового метода проектирования и изготовления уникального крошечного «сэндвича», состоящего из отдельных атомных слоёв.
Один слой микроскопической структуры состоит из титаната диспрозия — неорганического соединения, которое используется в ядерных реакторах для улавливания радиоактивных материалов и удержания неуловимых магнитных монопольных частиц, а другой состоит из пирохлора-иридата — нового магнитного полуметалла, который в основном используется в современных экспериментальных исследованиях благодаря своим уникальным электронным, топологическим и магнитным свойствам.
По отдельности оба материала часто считаются «невозможными» из-за своих уникальных свойств, которые бросают вызов общепринятому пониманию квантовой физики.
Создание экзотической сэндвич-структуры подготавливает почву для научных исследований в так называемой области интерфейса — места соприкосновения материалов в атомном масштабе.
«Эта работа открывает новый способ создания совершенно новых искусственных двумерных квантовых материалов, которые могут продвинуть квантовые технологии и дать более глубокое понимание их фундаментальных свойств, что ранее было невозможно», — сказал Джак Чахалян, профессор экспериментальной физики имени Клода Лавлейса на факультете физики и астрономии Школы искусств и наук Рутгерса и главный исследователь проекта.
Чахалян и его команда исследуют область, которая подчиняется законам квантовой теории — раздела физики, описывающего поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровне. В основе квантовой механики лежит концепция корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой квантовые объекты могут обладать как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Это основополагающий принцип таких технологий, как лазеры, магнитно-резонансная томография (МРТ) и транзисторы.
Чахалян высоко оценил усилия трёх студентов Рутгерса, которые внесли значительный вклад в исследование: Майкла Терилли и Цун-Чи Ву, докторантов, и Дороти Даути, которая окончила университет в 2024 году и работала над исследованием в качестве бакалавра. Кроме того, Михаил Кареев, учёный-материаловед, работающий с Чахаляном, внёс основной вклад в новый метод синтеза, а также Фанди Вен, докторант, недавно окончивший факультет физики и астрономии.
Чахалян сказал, что создание уникального квантового бутерброда было настолько технически сложным, что команде пришлось разработать новое устройство для достижения этой цели.
Прибор под названием Q-DiP, что расшифровывается как «платформа для изучения квантовых явлений», был завершён в 2023 году. Q-DiP включает в себя инфракрасный лазерный нагреватель и ещё один лазер, который позволяет создавать материалы на атомном уровне, слой за слоем. Такое сочетание позволяет учёным исследовать самые сложные квантовые свойства материалов вплоть до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю.
Сотрудники лаборатории Чахаляна проводят эксперимент с использованием Q-DiP, что означает «платформа для квантовых открытий». Этот зонд уникален для США и представляет собой прорыв в области инструментов. Фото: Джефф Арбан
«Насколько нам известно, этот зонд является уникальным в США и представляет собой прорыв в области инструментальных исследований», — сказал Чахалян.
Половина экспериментального сэндвича, состоящая из титаната диспрозия, также известного как спиновый лёд, обладает особыми свойствами. Крошечные магниты внутри, называемые спинами, расположены таким образом, что напоминают структуру водяного льда. Уникальная структура крошечных магнитов в спиновом льде позволяет им превращаться в особые частицы, называемые магнитными монополями.
Магнитный монополь — это частица, которая действует как магнит, но имеет только один полюс — северный или южный, но не оба сразу. Этот объект, предсказанный в 1931 году лауреатом Нобелевской премии Полем Дираком, не существует во Вселенной в свободной форме, но внутри спинового льда он появляется в результате квантово-механических взаимодействий внутри материала.
С другой стороны, полуметаллический пирохлор-иридат также считается экзотическим веществом, потому что он содержит крошечные релятивистские частицы, называемые фермионами Вейля. И снова, как ни странно, эти экзотические частицы, предсказанные Германом Вейлем в 1929 году и обнаруженные в 2015 году в кристаллах, движутся со скоростью света и могут вращаться по-разному — влево или вправо.
Их электронные свойства очень сильны и устойчивы к определённым видам помех или загрязнений, что делает их очень стабильными при использовании в составе электронных устройств. В результате пирохлор-иридат может очень хорошо проводить электричество, необычным образом реагировать на магнитные поля и демонстрировать особые эффекты при воздействии электромагнитных полей.
Чахалян сказал, что сочетание свойств нового материала делает его перспективным для использования в передовых технологиях, в том числе в квантовых вычислениях и особенно в квантовых датчиках нового поколения.
«Это исследование — большой шаг вперёд в синтезе материалов и может существенно повлиять на то, как мы создаём квантовые датчики и совершенствуем спинтронные устройства», — сказал он.
Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для обработки информации. Квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты, которые существуют в нескольких состояниях одновременно благодаря квантовому физическому принципу, называемому суперпозицией. Это позволяет выполнять сложные вычисления гораздо эффективнее, чем на классических компьютерах.
Особые электронные и магнитные свойства материала, разработанного исследователями, могут помочь в создании очень необычных, но при этом стабильных квантовых состояний, необходимых для квантовых вычислений.
Когда квантовые технологии станут практическими, они окажут значительное влияние на повседневную жизнь, произведя революцию в разработке лекарств и медицинских исследованиях, заметно улучшив операции, повысив предсказуемость и сократив расходы в сфере финансов, логистики и производства. Ожидается, что они также произведут революцию в алгоритмах машинного обучения, сделав системы искусственного интеллекта более мощными, заявили учёные.