Международная исследовательская группа под руководством Университета Рутгерса в Нью-Брансуике успешно синтезировала новую искусственную квантовую структуру, объединив два уникальных материала, ранее считавшихся несовместимыми. Этот прорыв, ставший результатом четырех лет непрерывных экспериментов, открывает новые горизонты для квантовых технологий, особенно в области квантовых вычислений и сенсоров. Ученые разработали новаторский метод проектирования и создания этой структуры, описанный в журнале Nano Letters.
Созданная структура представляет собой уникальный крошечный «сэндвич», состоящий из различных атомарных слоев двух лабораторно синтезированных материалов. Каждый из этих компонентов сам по себе считался «невозможным» из-за своих уникальных свойств, бросающих вызов традиционным представлениям квантовой физики. Ожидается, что изучение этой структуры даст толчок к разработке новых материалов для квантовых компьютеров.
Первый компонент — титанат диспрозия (Dy2Ti2O7), неорганическое соединение, известное как спиновый лед. В этом материале крошечные магниты (спины) упорядочены подобно молекулам воды во льду. Уникальная структура спинового льда позволяет возникать квазичастицам, ведущим себя как магнитные монополи — гипотетические частицы, предсказанные Полем Дираком в 1931 году и обладающие только одним магнитным полюсом. Хотя свободные монополи во Вселенной не существуют, их эмерджентное появление в спиновом льду является следствием квантовых взаимодействий. Титанат диспрозия уже находит применение в ядерных реакторах для улавливания радиоактивных материалов.
Второй компонент — пирохлор-иридат (Pr2Ir2O7), новый тип магнитного полуметалла. Этот материал обладает особыми электронными, топологическими и магнитными свойствами. В нем содержатся крошечные релятивистские частицы, называемые фермионами Вейля, предсказанные Германом Вейлем в 1929 году и экспериментально обнаруженные в кристаллах в 2015 году. Пирохлор-иридат хорошо проводит электричество, необычно реагирует на магнитные поля и демонстрирует особые эффекты при воздействии электромагнитных полей. Фермионы Вейля стабильны, устойчивы к возмущениям, движутся со скоростью, близкой к световой, и обладают спиральностью (лево- или правозакрученным спином).
Ключевым аспектом исследования является изучение «интерфейса» — области на атомарном уровне, где два материала соприкасаются. По словам ведущего исследователя Джака Чахалиана, профессора экспериментальной физики кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук Рутгерса, это открывает «новый путь для создания совершенно новых искусственных двумерных квантовых материалов».
Значительный вклад в разработку нового метода синтеза внес материаловед Михаил Кареев, работающий с Чахалианом. Профессор Чахалиан также особо отметил работу студентов Рутгерса: докторантов Майкла Терилли и Тсунг-Чи Ву, а также Дороти Даути, выпускницы 2024 года, работавшей над проектом еще будучи студенткой бакалавриата, и Фангди Вена, недавно защитившего докторскую диссертацию на кафедре физики и астрономии.
Создание такой сложной структуры потребовало разработки уникального оборудования. В 2023 году была завершена установка Q-DiP (Quantum Phenomena Discovery Platform – Платформа для Открытия Квантовых Явлений). Этот прибор объединяет инфракрасный лазерный нагреватель с другим лазером, позволяя конструировать материалы атомарно, слой за слоем, и исследовать сложные квантовые свойства при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Джак Чахалиан назвал Q-DiP «уникальным исследовательским инструментом в США, представляющим собой прорывное инструментальное достижение».
В основе этих достижений лежит фундаментальный принцип квантовой механики — корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому объекты обладают свойствами как частиц, так и волн. Этот принцип уже лег в основу таких технологий, как лазеры, МРТ и транзисторы. Новая структура объединяет экзотические квантовые явления: магнитные монополи и фермионы Вейля, открывая путь к их совместному изучению и использованию.
Комбинация свойств нового материала делает его перспективным для передовых технологий. Ожидается его применение в квантовых вычислениях, особенно для создания необычных и стабильных квантовых состояний (кубитов). Квантовые компьютеры используют принципы суперпозиции для обработки информации, что позволяет им решать задачи, недоступные классическим компьютерам. Другие потенциальные области применения включают квантовые сенсоры нового поколения и передовые устройства спинтроники.
По прогнозам ученых, практическое применение квантовых технологий способно произвести революцию в разработке лекарств и медицинских исследованиях, повысить эффективность, предсказуемость и экономию в финансах, логистике и производстве, а также кардинально улучшить алгоритмы машинного обучения, сделав искусственный интеллект более мощным. Как отметил Джак Чахалиан, создание этой структуры — «большой шаг вперед в синтезе материалов с потенциально значительным влиянием».
Изображение носит иллюстративный характер
Созданная структура представляет собой уникальный крошечный «сэндвич», состоящий из различных атомарных слоев двух лабораторно синтезированных материалов. Каждый из этих компонентов сам по себе считался «невозможным» из-за своих уникальных свойств, бросающих вызов традиционным представлениям квантовой физики. Ожидается, что изучение этой структуры даст толчок к разработке новых материалов для квантовых компьютеров.
Первый компонент — титанат диспрозия (Dy2Ti2O7), неорганическое соединение, известное как спиновый лед. В этом материале крошечные магниты (спины) упорядочены подобно молекулам воды во льду. Уникальная структура спинового льда позволяет возникать квазичастицам, ведущим себя как магнитные монополи — гипотетические частицы, предсказанные Полем Дираком в 1931 году и обладающие только одним магнитным полюсом. Хотя свободные монополи во Вселенной не существуют, их эмерджентное появление в спиновом льду является следствием квантовых взаимодействий. Титанат диспрозия уже находит применение в ядерных реакторах для улавливания радиоактивных материалов.
Второй компонент — пирохлор-иридат (Pr2Ir2O7), новый тип магнитного полуметалла. Этот материал обладает особыми электронными, топологическими и магнитными свойствами. В нем содержатся крошечные релятивистские частицы, называемые фермионами Вейля, предсказанные Германом Вейлем в 1929 году и экспериментально обнаруженные в кристаллах в 2015 году. Пирохлор-иридат хорошо проводит электричество, необычно реагирует на магнитные поля и демонстрирует особые эффекты при воздействии электромагнитных полей. Фермионы Вейля стабильны, устойчивы к возмущениям, движутся со скоростью, близкой к световой, и обладают спиральностью (лево- или правозакрученным спином).
Ключевым аспектом исследования является изучение «интерфейса» — области на атомарном уровне, где два материала соприкасаются. По словам ведущего исследователя Джака Чахалиана, профессора экспериментальной физики кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук Рутгерса, это открывает «новый путь для создания совершенно новых искусственных двумерных квантовых материалов».
Значительный вклад в разработку нового метода синтеза внес материаловед Михаил Кареев, работающий с Чахалианом. Профессор Чахалиан также особо отметил работу студентов Рутгерса: докторантов Майкла Терилли и Тсунг-Чи Ву, а также Дороти Даути, выпускницы 2024 года, работавшей над проектом еще будучи студенткой бакалавриата, и Фангди Вена, недавно защитившего докторскую диссертацию на кафедре физики и астрономии.
Создание такой сложной структуры потребовало разработки уникального оборудования. В 2023 году была завершена установка Q-DiP (Quantum Phenomena Discovery Platform – Платформа для Открытия Квантовых Явлений). Этот прибор объединяет инфракрасный лазерный нагреватель с другим лазером, позволяя конструировать материалы атомарно, слой за слоем, и исследовать сложные квантовые свойства при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Джак Чахалиан назвал Q-DiP «уникальным исследовательским инструментом в США, представляющим собой прорывное инструментальное достижение».
В основе этих достижений лежит фундаментальный принцип квантовой механики — корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому объекты обладают свойствами как частиц, так и волн. Этот принцип уже лег в основу таких технологий, как лазеры, МРТ и транзисторы. Новая структура объединяет экзотические квантовые явления: магнитные монополи и фермионы Вейля, открывая путь к их совместному изучению и использованию.
Комбинация свойств нового материала делает его перспективным для передовых технологий. Ожидается его применение в квантовых вычислениях, особенно для создания необычных и стабильных квантовых состояний (кубитов). Квантовые компьютеры используют принципы суперпозиции для обработки информации, что позволяет им решать задачи, недоступные классическим компьютерам. Другие потенциальные области применения включают квантовые сенсоры нового поколения и передовые устройства спинтроники.
По прогнозам ученых, практическое применение квантовых технологий способно произвести революцию в разработке лекарств и медицинских исследованиях, повысить эффективность, предсказуемость и экономию в финансах, логистике и производстве, а также кардинально улучшить алгоритмы машинного обучения, сделав искусственный интеллект более мощным. Как отметил Джак Чахалиан, создание этой структуры — «большой шаг вперед в синтезе материалов с потенциально значительным влиянием».