Физиците откриха пътя към стабилни квантови изчисления

Физици от няколко държави създадоха необичаен материал – топологичен електронен кристал (ТЕК), в който за първи път беше наблюдаван квантовият ефект на Хол без външно магнитно поле. Този успех е постигнат от екип под ръководството на Джош Фалк от Университета на Британска Колумбия.

За да се разбере значението на откритието си струва да се разбере физиката на процеса. В класическите проводници електроните, срещайки магнитно поле по пътя си се отклоняват от права траектория. В материала се появява напрежение, насочено перпендикулярно както на тока, така и на магнитното поле – това явление се нарича ефект на Хол. Ако вземем една двумерна електронна система и я охладим почти до абсолютната нула, картината се променя: съпротивлението на Хол започва да се променя не плавно, а с резки скокове.

Обикновено ефектът на Хол може да се наблюдава в специални структури – електронни кристали или кристали на Вигнер. В тях електроните са подредени в подредена решетка благодарение на отблъскващите сили между частиците. Доскоро се смяташе, че за създаването на такава структура непременно е необходимо външно магнитно поле. Теоретиците обаче изказаха предположение: в топологичните електронни кристали може да възникне подобно явление (квантов аномален ефект на Хол) дори без магнит.

Историята на откритието започва в лабораторията на Вашингтонския университет, където учените изследват свойствата на многослойния графен. Те взели няколко слоя от материала (тънки въглеродни листове с дебелина само един атом) и ги наложили един върху друг под различен ъгъл. Когато две правилни структури се припокрият, се появява нова картина – тя се нарича моаре.

Сред десетките хиляди комбинации вниманието на Дейзин Уотърс от Вашингтонския университет привлякла една специална структура. За разлика от другите образци, при които моаре моделите бяха хаотични, в този случай моделът се оказа изненадващо подреден.

„Когато Уотърс ни показа този образец, решихме да го изследваме в нашия специален хладилник – хладилника за разтваряне. Това устройство може да охлади образеца почти до абсолютна нула, което ни позволява да видим фини магнитни ефекти, които иначе се губят в термичния шум.“

казва Фалк

Оказа се, че моаре моделът в този образец влияе на поведението на електроните по същия начин, както магнитното поле в обикновените Вигнерови кристали. Ключът към успеха е прецизността на ъгъла между слоевете: когато се завърти точно на 1,5 градуса, двуслойният графен, наложен върху трислойния графен, образува идеалната структура за появата на топологичен електронен кристал.

За да разберете уникалността на това явление, представете си група танцьори. Без музика всеки се движи както си иска – хаотично като електроните в обикновен проводник. Когато започне да звучи музика (аналог на магнитно поле), танцьорите се подреждат в определен ред, подчинявайки се на общия ритъм. В новия материал самите електрони са организирани в ясен ред, но без никакво външно влияние – единствено благодарение на специалната геометрия на графеновите слоеве.

Откритието потвърждава теоретичните прогнози, които са вече на няколко десетилетия, но най-важното е, че то открива пътя към създаването на принципно нови квантови устройства.

„Най-вълнуващите неща може би предстоят. TEK сам по себе си или в комбинация със свръхпроводник може да стане дом на необичайни квазичастици. Въпреки че те ще се състоят от обикновени електрони, техните свойства ще се окажат съвсем различни – например, те биха могли да носят дробен електрически заряд. Такива частици биха били идеални за създаване на топологични кюбити – основата на квантовите компютри от следващо поколение.“

смята Фалк