Учени създадоха „квантов сандвич“ от два невероятно редки материала

Изследователи от университета Рутгерс в Ню Брънзуик в сътрудничество с международен екип от учени са създали уникална изкуствена квантова структура, която дълго време се смяташе за невъзможна. Те са комбинирали два редки и силно нестабилни материала – диспрозиев титанат и пирохлорен иридат в миниатюрен „сандвич“ – съединение, което открива нови хоризонти в разработването на материали за квантови технологии.

Разработката, отнела 4 години непрекъснати експерименти е пробив, който позволява на изследователите за първи път да конструират такава структура на атомно ниво.

Единият слой на този квантов сандвич е диспрозиев титанат – неорганично съединение, което се използва в ядрените реактори и има уникалната способност да проявява т.нар. магнитни монополи – частици, които съществуват само на теория и досега не са наблюдавани в свободна форма. Другият слой от пирохлорен иридат е експериментален полуметал с екзотични електронни и магнитни свойства. Самият той съдържа т.нар. фермиони на Вейл – малки частици, които се движат като светлина и могат да се „въртят“ в различни посоки, осигурявайки изключителна стабилност при използването им в електронни устройства.

Всеки от тези материали сам по себе си вече се смяташе за почти невъзможен за синтезиране в лаборатория, а комбинирането им в една квантова система доскоро се смяташе за научна фантастика.

Екип, ръководен от професор Як Чакхалян обаче успя да преодолее техническите ограничения, като разработи специално съоръжение, наречено Q-DiP – платформа за откриване на квантови явления. Тя съчетава инфрачервен лазерен нагревател и лазер за отглеждане на материали слой по слой с атомна точност. Системата е уникална за САЩ и позволява да се работи с материали при температури, близки до абсолютната нула.

Проектът беше истинско предизвикателство дори за опитния екип: за да реализират идеята, учените трябваше да изградят устройството буквално от нулата. Сред тези, които имат ключов принос за разработката, професорът отбелязва студентите от Рутгерс, сред които Майкъл Терили, Цунг-Чи Ву и Дороти Доути, както и учените Михаил Кареев и Фанди Уен.

Създадената структура открива пътя към изучаване на поведението на материята на границите между слоевете – самите контактни зони, където протичат най-интересните квантови процеси. Според Чакхалян това дава възможност за проектиране на принципно нови двуизмерни квантови материали с потенциално приложение в квантовите компютри и сензори от следващо поколение.

Квантовите компютри работят с кюбити – квантови битове, които могат да се намират в няколко състояния едновременно, благодарение на ефекта на суперпозицията. Такива системи теоретично са способни да извършват сложни изчисления десетки и стотици пъти по-бързо от традиционните компютри. Новият материал, притежаващ едновременно стабилност, висока проводимост и способност за квантови взаимодействия може да се превърне в основа за устройства, които досега се смятаха за невъзможни за създаване.

Учените смятат, че в бъдеще подобни квантови технологии ще повлияят на широк спектър от области на живота – от разработването на лекарства до логистиката, финансите и изкуствения интелект. Благодарение на новите материали, които засега съществуват само в лабораторни условия, те могат да се превърнат в реалност много по-бързо от очакваното.