Учёные из Ратгерского университета (Нью-Брансуик) совершили прорыв, создав уникальную квантовую структуру, которую ранее считали «невозможной». Эта разработка открывает новые перспективы для создания стабильных и высокопроизводительных квантовых компьютеров будущего.
Инновация заключается в методе производства атомно-слоистых «сэндвичей», объединяющих два экзотических материала: титанат диспрозия и пирохлор иридия. Каждый из этих материалов обладает свойствами, которые бросают вызов современным представлениям о квантовой физике. Их комбинация в одной структуре, ранее считавшаяся невыполнимой с технологической точки зрения, позволяет изучать и использовать совершенно новые квантовые состояния.
Q-DiP — прорывная платформа для квантовых открытий
Четырёхлетнее исследование под руководством профессора Джака Чахаляна увенчалось созданием специального инструмента — Платформы квантовых открытий (Q-DiP). Эта система использует два лазера: один для нагрева, а другой — для прецизионной сборки материалов на атомарном уровне. Такая комбинация позволяет учёным работать с материалами при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю, что критически важно для изучения квантовых эффектов.
Граница раздела между двумя «невозможными» материалами в этой структуре представляет собой новую frontier в квантовой механике. Именно на этом стыке возникают уникальные явления, которые могут стать основой для квантовых битов (кубитов) нового поколения, а также сверхчувствительных квантовых датчиков.
Ключевыми для будущих технологий являются два фундаментальных квантовых явления. Во-первых, это суперпозиция — способность квантовой частицы находиться в нескольких состояниях одновременно, что является основой для огромной вычислительной мощности квантовых компьютеров. Во-вторых, корпускулярно-волновой дуализм, позволяющий объектам проявлять свойства и частиц, и волн. Эта двойственность уже лежит в основе многих современных технологий, от лазеров до МРТ, и обещает придать будущим квантовым системам невиданную сложность.
В поисках магнитных монополей
Титанат диспрозия, также известный как «спиновый лёд», обладает уникальной магнитной структурой. В нём могут возникать аналоги гипотетических частиц — магнитных монополей. В отличие от обычных магнитов, которые всегда имеют два полюса (северный и южный), монополь обладает только одним. Их существование предсказал ещё Поль Дирак в 1931 году, но в свободном виде в природе они не обнаружены. Возможность создавать и контролировать такие квазичастицы в искусственных материалах открывает путь к принципиально новым способам хранения и обработки информации.
Экзотические свойства пирохлора иридия
Второй компонент «сэндвича», пирохлор иридия, относится к магнитным полуметаллам Вейля. В его структуре существуют так называемые фермионы Вейля — релятивистские частицы, обнаруженные в кристаллах лишь в 2015 году. Они обладают высокой подвижностью, устойчивостью к внешним воздействиям и придают материалу выдающуюся электропроводность, а также необычные реакции на магнитные и электромагнитные поля. Эти свойства крайне перспективны для создания электроники следующего поколения.
Будущее квантовых вычислений
«Наша работа открывает совершенно новый путь для создания полностью искусственных двумерных квантовых материалов, — прокомментировал профессор Чахалян. — Это позволит не только продвинуть квантовые технологии, но и глубже понять фундаментальные свойства материи способами, которые раньше были недоступны».
Разработанный экзотический материал сочетает в себе высокую стабильность с необычными квантовыми состояниями, что может стать серьёзным прорывом. Хотя квантовые компьютеры сегодня находятся на ранних стадиях развития, эксперты полагают, что они способны совершить революцию в обработке информации, ускорив развитие искусственного интеллекта, криптографии, химического моделирования и многих других научных областей.
«Это исследование — крупное достижение в области синтеза материалов, которое окажет значительное влияние на создание квантовых датчиков и разработку устройств спинтроники», — подчеркнул Чахалян.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.