Физики впервые смогли остановить электрический ток в двумерном слоистом материале за счет «сцепления» электронов и дырок в соседних слоях, получив таким образом первый двумерный топологический экситонный изолятор. Такие устройства могут быть использованы для защиты состояний кубитов в квантовых компьютерах от декогеренции, пишут ученые в статье, опубликованной в Nature Communications.

В экситонных изоляторах подавление электрического тока происходит из-за спонтанного образования экситонов — связанных электрон-дырочных пар (подробнее об экситонах и других квазичастицах вы можете прочитать в нашем материале). Теоретически возможность существования таких материалов была предсказана еще в начале 60-х годов XX века. Состояние экситонного изолятора обычно реализуется в полуметаллах, в которых зона проводимости и валентная зона соприкасаются, или очень незначительно перекрываются (одним из примеров полуметаллов является, например, графен) из-за кулоновских взаимодействий между дыркой и электроном. Однако, несмотря на то, что экситонные изоляторы хорошо описаны теоретически, в двумерных материалах экспериментально такие фазы не изучались.

R.-R. Du / Rice University

Группа физиков из США и Китая под руководством Жуй-Жуй Ду (Rui-Rui Du) из Университета Райса впервые изучила появление состояния топологического экситонного изолятора в двумерных материалах. Для этого они исследовали двухслойную систему, состоящую из арсенида индия и антимонида галлия (InAs/GaSb), полученную с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. В одном из этих слоев носителями заряда являются электроны, а в другом — дырки. Толщина каждого из слоев не превышает 12,5 нанометров, поэтому для носителей заряда эти слои служат квантовыми ямами, и их распространение ограничено двумя измерениями.

Фазовая диаграмма состояния материала. Lingjie Du et al./ Nature Communications, 2017

Схематическое изображение состояний экситонов в разных фазах. Lingjie Du et al./ Nature Communications, 2017

Оказалось, что в такой системе в зависимости от концентрации носителей заряда и температуры возможно образование четырех возможных состояний. При больших температурах и больших концентрациях электроны и дырки не связаны между собой, и одни свободно двигаются в своем слое, а другие — в своем, формируя фазу электронно-дырочной плазмы. В случае совсем низких концентраций электроны и дырки образуют устойчивые экситонные пары, формируя в зависимости от температуры либо фазу бозе-эйнштейновского конденсата, либо фазу экситонного газа, где экситоны могут свободно перемещаться по материалу. А при промежуточных концентрациях носителей заряда (в данном случае порядка 10¹⁰ — 10¹¹ электронов или дырок на квадратный сантиметр) образуется как раз фаза экситонного изолятора — состояние, когда взаимодействие между электронами и дырками не дает им свободно перемещаться независимо друг от друга, но при этом и не образуется связанных экситонов.

Формирование этой фазы происходит при понижении температуры ниже критического значения (примерно −263 градуса Цельсия) из-за образования сверхтекучей квантовой жидкости из экситонов, что не дает току проходить через такой материал. Связывание электронов и дырок при этом аналогично процессу, происходящему при охлаждении сверхпроводника и образованию куперовских пар, только в данном случае пары образуют не два электрона, а электрон и дырка. С помощью терагерцовой спектроскопии при различных значениях магнитного поля и температуры авторы работы количественно доказали формирование состояния экситонного изолятора. Более того, по характеру транспорта носителей заряда удалось показать, что такое состояние в этих материалах топологически защищено.

По словам ученых, дополнительный контроль состояния экситонов можно обеспечить за счет введения в структуру дополнительного слоя (например, смешанного антимонида галлия и алюминия AlGaSb), расположенного между слоями с дырочной и электронной проводимостью.

Авторы работы утверждают, что такое устройство может быть использовано в качестве элемента топологического квантового компьютера, в котором информация хранится и передается с помощью топологически связанных квантовых частиц. Эта топологическая защита позволит кубитам в квантовом компьютере не терять когерентность при внешних воздействиях.

Состояния, аналогичные куперовским электронным парам в сверхпроводниках, могут образовывать не только экситоны, но и, например, фотоны при комбинационном рассеянии. Это происходит при одновременном смещении частоты двух фотонов в противоположном направлении, в результате чего между ними происходит «обмен» виртуальной квазичастицей, что и приводит к их связыванию.

Автор: Александр Дубов