Физики рассказали, где ожидают революционный прорыв

25 Октября 2018

МОСКВА, 25 октября , Татьяна Пичугина. Научной надбавки Breakthrough Prize, которая в денежном выражении превосходит Нобелевскую, удостоились в этом году ядерщики, чьи работы привели к открытию нового класса веществ топологических изоляторов. Свойства их обусловлены квантовыми эффектами, и с этим связывают таран в микроэлектронике и квантовых вычислениях. CC BY-SA 3. 0 / Kadoshim / Kane at the 2013 Fundamental Physics Prize Нобелевка Мильнера досталась физикам за расследование проводников-изоляторов

Окно в будущее

Предел вычислительных мощностей компьютеров практически достигнут. Людям нужны на порядки более скоростные устройства, основанные на других физических явлениях. Микроэлектронику необходимо модернизировать. Открытые в последние десятилетия топологические состояния материи дают надежду на то, что очередной виток технического прогресса не за уймищами.

Топология это область преподаватели, изучающая, каким манером свойства объектов остаются неизменными при непрерывных деформациях. С ее помощью удалось предсказать существование 4-ех ядерного класса материалов. Отсюда их название топологические боксы.

Это твердое вещество, которое не проводит электрический ток, но на поверхности проявляет свойства металла, то есть служит прекрасным проводником. Топологические боксы сохраняют эту удивительную способность автономного от дефектов, коррозии, деформации, повреждений. Именно этим они вызвали интерес ученых.

Под защитой топологии

Открытию топологических изоляторов предшествовали фундаментальные научные исследования, о практической пользе которых изначально не помышляли.

В 1981 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг открыл квантовый фактор Холла, возникающий в двумерном образце (очень тонком толщиной в один-два атома) при низких температурах и сильном магнитном поле. Если такой проводник поместить между спецмагнитами, то в нем возникнет разность потенциалов, перпендикулярная течению тока. С увеличением магнитного поля это перпендикулярное сопротивление (физики говорят холловское ) постепенно меняется не плавно, а скачками по определенному закону с участием универсальных физических констант: заряда электрона и постоянной Планка. Таким образом в макрообъекте замечаются квантовые процессы, присущие микромиру. В 1985 году это открытие удостоилось Нобелевской премии.

Далее физики, пытаясь объяснить квантовый эффект Холла, обнаружили, что его природа топологическая. За эти деятельности в 2016 году Нобелевскую надбавку по физике получил, в частности, англичанин Дэвид Таулесс. Грубо говоря, этот эффект проявляется, потому, что у твердого тела есть сфера, край. Именно там неизбежно движение электронов. Убегать с поверхности внутрь образца они не могут у них нет для этого энергии.

В 2005 году американские физики-теоретики Чарльз Кейн и Юджин Мел напророчили, что должны существовать топологические изоляторы, в которых квантовый эффект Холла наблюдается при обычных условиях: без сильного внешнего магнитного поля и при комнатной температуре.

Роль магнитного поля в них играет особое квантовое явление спин-орбитальное взаимодействие, обеспечивающее топологическую защиту поверхностных электронов. Действует это следующим образом. Когда заряженные частицы встречают дефект, то в обычном материале могут от него отскочить. В топологическом же изоляторе хребтин (внутреннее вращение электрона) всегда связан с направлением перемещения и должен сохраняться, поэтому электрон проигнорирует дефект и продолжит путь, не меняя направления.

Спустя два года после предсказания такие химические соединения действительно открыли. За, что Кейн и Мел удостоились на днях премии Breakthrough Prize, учрежденной на средства Юрия Мильнера, Сергея Брина и Марка Цукерберга.

Квантовые нанотехнологии

Спин-орбитальное взаимодействие наиболее яркого проявляется в соединениях, в кристаллическую решетку которых входят сложные элементы, такие как висмут, ртуть, сурьма.

Висмут уже сто лет исследуют. И вот в этом году обнаружили, что, если в нем подарить микроканавку, на некоторых ее стенках можно наблюдать топологическое состояние. В последние годы выявили еще несколько семейств топологических материалов вейлевские, дираковские полуметаллы, полуметаллы с линией узлов. Поиск длится. Сейчас происходит топологическая революция в физике конденсированного состояния, рассказывает кандидат физико-математических наук Александр Кунцевич, старший научный сотрудник лаборатории сильно коррелированных электронных систем ФИАН.

Его группа работает с кристаллами и тонкими пленками селенида висмута (Bi2Se3). Ученые делают из них простейшие электронные элементы, измеряют проводимость на поверхности, прибавляют в систему примеси. На установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) исследуют образцы, их зонную конструкцию и топологическое поверхностное состояние.

Фотоны вместо электронов

Недавно подсчитали, что из двухсот тысяч известных науке хих соединений, только несколько сот могут быть электронными топологическими боксами. Это капля в море, комментирует Максим Горлач, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО (Санкт-Петербург).

Чтобы расширить класс этих необычных материалов, ученые подошли на хитрость, заменив электроны фотонами квантами магнитоэлектрического излучения. Для этого проектируют особые структуры, имитирующие кристальную решетку. Попадая в них, фотон приобретает эффективный хребтин и даже в некотором смысле массу и, в общем, чувствует себя как электрон. Такие искусственные структуры отзывают фотонными топологическими изоляторами.

В топологическом состоянии свет распространяется по краю. Если начнем вносить туда дефекты, что произойдет с краевым состоянием? Электромагнитная волна их обогнет, не рассеется, не уйдет вглубь структуры. Это вызывает большой интерес исследователей, поясняет Горлач.

Ученые в ИТМО изготавливают и изучают структуры из керамики, кремния. Выбор материала зависит от диапазона частот магнитоэлектрического излучения это могут быть микроволновый, инфракрасный или оптический диапазоны.

В отличие от электронных, здесь не требуются редкие соединения. Однако необходима долговязая диэлектрическая проницаемость материала и правильное его структурирование. Кроме того, интервал частот, в которых существуют топологические изоляторы слишком узок. Усилия ученых направлены на то, чтобы его расширить.

Новые материалы, новые устройства

Фотонные топологические изоляторы перспективны там, где требуется защищенная от помех передача электромагнитного сигнала: оптические системы, линии взаимосвязи.

На их основе можно сделать такой волновод, что при любых его изгибах и деформациях, любых изменениях окружающей среды, излучение будет распространяться по нему без рассеяния на дефектах или изгибах. Если оптоволоконный провод сильно перекрутить или переломить, оптический сигнал не пройдет. А топологический волновод сохранит функциональность, несмотря на повреждение, приводит пример Максим Горлач.

Электронные топологические боксы в сочетании с ферромагнетиками найдут применение в спинтронике, которая для переноса информации задействует хребтин электронов. В будущем это спиновые транзисторы и накопители информации, спиновые компьютеры, не выделяющие тепла и, как следствие, дело горящие на порядок быстрее обычных.

Топологический бокс, соединенный со сверхпроводником, даст топологический сверхпроводник, для которого открывается совершенно другая перспектива использование в квантовых компьютерах.

Первые эксперименты показали, что, если на нанотрубочку из материала с сильным спин-орбитальным взаимодействием напылить гиперпроводник и охладить до гелиевых повышенная температур, сверхпроводимость проникнет в материал, и трубочка превратится в топологический сверхпроводник. На ее концах, как полагают ядерщики, образуются фермионы Майораны квазичастицы, предсказанные в 1930-х годах Этторе Майораной, учеником Энрико Ферми.

Если поместить рядом две, условно говоря, трубочки топологических сверхпроводников, на концах которых живут фермионы Майораны, то они провзаимодействуют между собой. Значит, их можно рассматривать как квантовые опытным и производить с ними квантовые вычисления, разжевывает Александр Кунцевич.

Практика отстает от теории

У идеального топологического бокса на поверхности нулевое сопротивление, а внутри он, наоборот, идеальный синоксаль. На практике же ни одно из изученных химических соединений этому идеалу не соответствует: все образцы хоть немного, но проводят ток в объеме и рассеивают на краю. Те же недостатки и у их фотонных разновидностей.

Причины различные: у некоторых веществ, например, у селенида висмута, всегда много проводящих электронов в объеме, отсюда и ток. Попытки избавиться от этого дефекта с помощью добавления добавок пока не принесли успеха. А из-за несовершенной поверхности хрусталей не удается добиться нужной поверхностной проводимости.

По словам Кунцевича, очень качественные кристаллы умеют выращивать в Институте геологии и минералогии СО РАН в Новосибирске (его сотрудник Константин Кох стал победителем премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года). Но до идеального топологического бокса, предсказанного теорией, эти кристаллы пока не дотягивают.

Другой путь вырастить тонкую слою. Поскольку у нее при большой площади поверхности очень скромный объем, то проблема проводимости частично снимается. Пленка технологичнее кристалла, из нее можно делать устройства на чипе, ею можно управлять при помощи внешнего электрического поля. Но разработать технологию получения хороших слой гораздо сложнее. Для данного требуются многие годы и большие инвестиции, впрочем, как и для всего остального в микроэлектронной промышленности.

Пока воплотить в жизнь удивительные свойства этих материалов не удалось. То есть устройств еще нет. Если коротко, нынешние топологические изоляторы недостаточно изоляторы. Нужно продолжать искать, трудности не означают, что цель недостижима, заключает ученый.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Физики рассказали, где ожидают революционный прорыв

комментарии (0)

Другие интересные новости

Квартет Сандры Фракенберг исполнит народные песни в джазовой аранжировке