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».
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».