Видимо и дня не проходит без того, чтобы кто-то не заговорил о квантовых компьютерах. Эта технология обещает нам устройства, работающие по принципу «быстрее, выше, сильнее», при этом пока сложно полноценно описать все ее преимущества и недостатки. Однако перспектива невероятно быстрых вычислений и передачи данных, а также хранения огромного объема данных «в маковом зернышке» несомненно привлекательна. И для достижения столь желанных высот необходимо много труда, ибо новая технология это новые принципы, новые устройства и, конечно же, новые материалы. Классические, как теперь принято называть, компьютеры в качестве материала-фундамента используют кремний. А что используют квантовые? Об этом и пойдет речь в исследовании, рассматриваемом нами сегодня. Что это за новые свойства уже известного вещества, почему внимание уделили именно ему и почему его величают «прорывом» в квантовых технологиях? Ответы сокрыты в докладе ученых. Осталось их только найти. Поехали.

Предыстория и основа исследования

Огромным стимулом для повторного изучения различных веществ с желанием найти в них свойства, полезные для квантовых технологий, стало открытие топологических изоляторов *. Подобные материалы впервые были описаны еще в 80-е годы, но реально их обнаружить удалось лишь в недалеком 2007 году.

Топологический изолятор* (ТИ) — материал, внутренняя часть которого является изолятором, а поверхностная проводит электрический ток.

Эти материалы подтолкнули ученых исследовать нестандартные поверхностные состояния * уже известных и определенно полезных для квантовых компьютеров веществ.

Поверхностное состояние * — электронное состояние поверхности твердого тела.

Поверхностные состояния, характерные топологическим изоляторам, могут иметь различное происхождение, к примеру сильное спин-орбитальное взаимодействие * или эффект электронной корреляции. В любом случае, если понять происхождение подобных состояний, то можно использовать их в реализации столь масштабного и амбициозного проекта как квантовые технологии.

Спин-орбитальное взаимодействие * — взаимодействие движущейся частицы и ее собственного магнитного момента, вызванное спином этой частицы.

Первым представителем ТИ стало соединение висмута, теллура и серы, известное под названием тетрадимит (Bi₂Te₂S). Поверхностное состояние тетрадимита было основано на спин-орбитальном взаимодействии и подкреплялось *т-симметрией**.

T-симметрия * — симметрия уравнений по отношению к обращению времени (то есть к замене времени t на -t).

Также стоит упомянуть и топологические полуметаллы Дирака, такие как Cd₃As₂м и Na₃Bi. В них была обнаружена связь между зоной валентности * и зоной проводимости * в определенных дискретных точках зоны Бриллюэна *.

Валентная зона * — энергетическая зона электронного состояния твердого тела, заполненная валентными электронами и отвечающая за электропроводимость тела.

Зона проводимости * — эне ргетическая зона электронного состояния твердого тела незаполненная электронами.

Когда электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, пройдя запрещенную зону, они начинают перемещаться под воздействием электрического поля, т.е. участвуют в проводимости.

Зона Бриллюэна *

а) — для простой кубической решетки; b) — для гексагональной решётки.

В данных материалах присутствует кристаллическая и инверсионная симметрия. Весьма интересная ситуация была связана с другим полуметаллом, арсенид тантала (полуметалл Вейля). Еще в 1929 Герман Вейль сформулировал уравнение движения для безмассовой двухкомпонентной частицы, названное в его честь. Занимаясь этим, ученый предсказал существование так называемого фермиона Вейля. Вплоть до 2015 года никому не удавалось получить полуметалл Вейля, а следовательно и зафиксировать предсказанную им частицу с полуцелым значением спина. Когда же через кристалл арсенида тантала пропустили рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, ученым удалось изучить физические свойства необычного вещества. Обнаружены были возбуждения решетки, проявляющие себя как фермионы Вейля.

Фермионы Вейля удивительны тем, что в отличие от электронов не подвержены обратному рассеянию, когда частица наталкивается на препятствие. Частицы Вейля просто проходят сквозь или обтекают препятствие, будто его для них и нет вовсе. Подобные материалы вызывают живейший интерес ученых, поскольку могут кардинально изменить мир компьютерных технологий благодаря своим необычайным свойствам. Как мы видим, вполне достаточно и вышеперечисленных материалов для внедрения в квантовые технологии. Однако целью сегодняшних наших героев был поиск не просто подходящего материала, а воистину идеального, совмещающего в себе сразу несколько важных свойств.

Таким веществом стал металл Hf₂Te₂P, в котором были обнаружены топологические фермионные поверхностные состояния, пересечение Дирака и дуга Дирака. Весьма впечатляющая смесь в одном флаконе.

Экспериментальные измерения

Основным методом выявления всего вышеперечисленного послужила фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением.

Изображение №1: Кристаллическая структура и характеризация образца Hf₂Te₂P.

На изображении 1а представлена ромбоэдрическая тетрадимитовая кристаллическая структура Hf₂Te₂P. Квадратами выделены 2 группы плотнейшей пятислойной упаковки атомов *. Красная звезда указывает на центр *инверсии. Фиолетовые точки это Te (теллур), зеленые — Hf (гафний), а желтые — **P (фосфор).

Пример плотнейшей упаковки атомов.

Инверсия * — преобразование пространства эквивалентное математическому понятию «отражение».

График 1b отображает температурную зависимость электросопротивления, измеренную в одном кристалле Hf₂Te₂P при воздействии магнитного поля перпендикулярно току, текущему в базисной плоскости кристаллографической элементарной ячейки. Коричневая линия — магнитное поле в 0 Тл; оранжевая линия — магнитное поле в 9 Тл.

Также на графике 1b мы видим изображение монокристалла * Hf₂Te₂P, выращенного для проведения данного исследования.

Монокристалл * — отдельный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.

График 1с отображает зависимость магнитосопротивления при различных температурах в монокристалле Hf₂Te₂P, когда ток протекает в базисной плоскости кристаллографической элементарной ячейки.

Проекция объемной зоны Бриллюэна на гексагональную поверхность той же зоны кристалла Hf₂Te₂P, где отмечены точки высокой симметрии, показана на рисунке 1d.

И, наконец, изображение 1е показывает результаты измерений уровня ядра Hf₂Te₂P. Тут видны большие пики Te 4d (теллур) и Hf 4f (гафний), что является показателем высокого качества испытуемого образца.

Помимо определения нескольких конусов Дирака * в точке Γ (изображение 1d) при различном уровне энергии связи* ниже и выше уровня Ферми *, также была выявлена дуга Дирака, централизованная в точке М вдоль направления Г-М-Г в плоскости импульса энергии.

Конусы Дирака *

Уровень Ферми * — увеличение энергии основного состояния системы при добавлении 1 частицы; максимальная энергия фермиона в основном состоянии при температуре абсолютного нуля.

Изображение №2: Поверхность Ферми и наблюдение множественных фермионных состояний

Изображения в группе 2а показывают различные поверхности Ферми при разном уровне фотонной энергии (80 эВ, 90 эВ и 100 эВ). Белыми пунктирными линиями под номером 1 и 2 обозначено направление дисперсии.

Изображения от b до d показывают карты дисперсии, измеренные вдоль различных высоко симметричных направлений при разном уровне фотонной энергии. Данные были получены с помощью экспериментальной станции источника синхротронного излучения *при температуре 18 К (-255.15 °C).

Синхротронное излучение * — электромагнитное излучение, которое испускают заряженные частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями по траекториям, искривлённым магнитным полем.

Изображение №3: экспериментальные наблюдения дуги Дирака.

На изображениях группы 3а видны контуры поверхности постоянной энергии при различных показателях энергии связи (от 0 до 1000 мэВ, миллиэлектронвольт). Отчетливо видна поверхность Ферми в форме цветка с шестью лепестками, говорящая о том, что даже в металлическом дираковском материале возможна столь ярко выраженная дисперсия. Ниже, на 3b, показаны контуры постоянной энергии ближе к дуге Дирака.

3с — дисперсионная карта по направлению K-M-K вдоль направления разреза, выявленная для поверхности постоянной энергии при уровне энергии связи около 1000 мэВ.

Приближаясь к подведению итогов стоит отметить все фермионные состояния, определенные в образце посредством расчетов и экспериментальных наблюдений.

Изображение №4: множественные фермионные состояния.

Подведение итогов

Как уже было сказано ранее, одним из важнейших наблюдений была поверхность Ферми в форме цветка с шестью лепестками, говорящая о том, что даже в металлическом дираковском материале возможна столь ярко выраженная дисперсия. Такой же важностью обладают и конусы Дирака с линейной дисперсией в широком диапазоне энергий (~ 2,3 эВ), что больше чем у полуметтала ZrSiS (~ 2 эВ).

Стоит отметить, что в уже хорошо изученных топологических изоляторах n-типа Bi₂Se₃/Bi₂Te₃ (5a) экспериментально было обнаружено, что нижний и верхний поверхностные конусы Дирака располагают уровнем Ферми значительно выше точки Дирака (точки соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости). В случае с Sb₂Te₃, материалом p-типа, точка Дирака расположена значительно выше уровня Ферми (5b). В некоторых же других материалах наблюдается соприкосновение объемной проводимости и зоны валентности в одномерной петле, защищенной несимморфной симметрией (5с).

И все эти три феномена встречаются в одном материале сразу, в Hf2Te2P (5d, 5e). До сего момента еще ни один материал не мог похвастаться подобным.

Для ознакомления с подробностями расчетов и измерений настоятельно рекомендую почитать доклад исследователей, доступный по этой ссылке.

Также исследователи предоставили доступ для всех желающих к дополнительным материалам своей работы.

Эпилог

Подобные исследования никоим образом нельзя назвать простыми. Квантовые технологии вообще сложно назвать легкими, по крайней мере мне. Однако подобный колоссальный труд может окупиться в стократ, поскольку обнаруженные исследователями ранее скрытые свойства известного материала могут расширить спектр возможностей в реализации квантовых вычислительных машин. Совокупность нескольких полезных свойств в одном материале могут быть преимуществом над сложностью его изготовления. Возможно, если кому-то не удастся найти альтернативу вышеописанному материалу, он может стать Розеттским камнем технологий будущего. Все эти исследования, хоть и подкреплены экспериментальными измерениями и наблюдениями, все же остаются по большей степени теоретическими. Лишь практическая реализация какого-либо устройства с использованием подобных материалов сможет на 100% уверить нас в его уникальности и невероятной полезности, о чем говорят ученые. В любом случае, торопиться не стоит. Долгий путь еще нужно преодолеть миру науки, чтобы подобные исследования вошли в историю, как открытия прошлого, повлиявшие на наше будущее.