Изменение состава материала стало ключом к контролю над его квантовыми свойствами
Международная группа исследователей из Чикагской школы молекулярной инженерии им. Притцкера (UChicago PME) и Университета Западной Вирджинии (WVU) разработала новый метод управления квантовыми состояниями материалов. Суть подхода заключается в простом изменении соотношения химических элементов при создании сверхтонких плёнок. Это открытие может стать важным шагом на пути к созданию масштабируемых квантовых компьютеров.
Квантовые компьютеры обещают революцию в решении задач, непосильных даже для самых мощных современных суперкомпьютеров, — от разработки новых лекарств до моделирования климата. Однако для этого необходимо научиться точно контролировать экзотические квантовые фазы в материалах. Новое исследование предлагает для этого своего рода «регулятор».
Учёные сосредоточились на перспективном материале — селениде-теллуриде железа, который является топологическим сверхпроводником. Ранее его получали в виде массивных кристаллов, чей состав мог быть неоднородным. В рамках новой работы исследователи вырастили ультратонкие плёнки материала толщиной всего в 10 атомных слоёв и стали изменять в них соотношение теллура и селена. Оказалось, что этот параметр работает как точный контроль: при содержании теллура более 70% материал переключается из тривиальной топологической фазы в нетривиальную, приобретая защищённые поверхностные состояния, крайне востребованные в квантовых технологиях.
Ещё более неожиданным стало открытие, сделанное при работе с чистым теллуридом железа. При высокой чистоте материала его топологические свойства исчезали, и он возвращался в тривиальную фазу. С помощью сложных вычислительных методов учёные выяснили, что этот переход вызван движением электронов внутри материала. Это доказывает, что квантовые материалы являются не статичными, а высоконастраиваемыми системами.
«Если корреляции между электронами слишком сильны, электроны «застревают» на месте. Если они слишком слабы, материал теряет свои особые топологические свойства. Но при правильном уровне вы получаете топологический сверхпроводник», — пояснил аспирант UChicago PME Хаорон Лин.
Практическая значимость работы также в том, что полученные сверхтонкие плёнки работают при температуре около -260 ℃, что существенно выше, чем требуется для многих аналогов (например, систем на основе алюминия, которым нужно около -272 ℃). Это позволяет использовать для их охлаждения стандартный жидкий гелий, что делает технологию более доступной. Кроме того, тонкоплёночная форма удобнее для интеграции в реальные устройства, чем объёмные кристаллы.
Результаты исследования были в научном журнале Nature Communications.