Квантові таємниці: новий інструмент розплутує електронні стани шар за шаром

Дослідники з Прітцкерівської школи молекулярної інженерії (PME) Чиказького університету створили новий інструмент, який може допомогти виявити походження електронних станів у технічних матеріалах, відкриваючи шлях для їх використання в майбутніх додатках квантової технології. Доцент Шуолонг Янг і його команда розробили цей інноваційний інструмент для покращення розуміння магнітних топологічних ізоляторів — матеріалів з унікальними властивостями поверхні, які можуть відігравати вирішальну роль у розвитку технологій квантової інформаційної науки.

За допомогою техніки, яка називається фотоемісією в частотній області з шаровим кодуванням, дослідники посилають два лазерні імпульси в шаруватий матеріал. Отримані вібрації в поєднанні з вимірюванням енергії дозволяють дослідникам зібрати «фільм», який показує, як електрони рухаються в кожному шарі.

«У нашому повсякденному житті, коли ми хочемо краще зрозуміти матеріал — зрозуміти його склад або якщо він порожній — ми стукаємо по ньому», — сказав Ян. «Це аналогічний підхід на мікроскопічному рівні. Наша нова техніка дозволяє нам «стукати та слухати» шаруваті матеріали, і це дозволило нам показати, що один конкретний магнітний топологічний ізолятор працює інакше, ніж передбачає теорія». Результати були опубліковані в журналі Nature Physics.

Розуміння шаруватих матеріалів є важливим, оскільки багато вчених-матеріалів зараз розробляють і створюють матеріали на атомарному рівні в процесі пошаровості, поєднуючи два або більше матеріалів разом, щоб створити новий матеріал. Створення цих матеріалів з нуля дозволяє їм створювати матеріали з новими властивостями для майбутніх технологій.

Коли вчені створили двошаровий магнітний топологічний ізолятор (MnBi2Te4)(Bi2Te3), поєднавши магнітний матеріал із немагнітним матеріалом, вони розробили матеріал з екзотичними квантовими властивостями. Електрони рухаються по периметру поверхні, зберігаючи при цьому свою енергію та квантові властивості. Цей надструм потенційно може бути використаний для передачі інформації, що зберігається в кубітах, у майбутніх квантових комп’ютерах.

Оскільки ці шари настільки тонкі — порядку кількох нанометрів — традиційні інструменти визначення характеристик матеріалу, такі як спектроскопія, не можуть розрізнити шари. Хоча в ідеалі електрони повинні рухатися навколо поверхні магнітного матеріалу, попередні експерименти, проведені іншими групами, показали, що, можливо, вони замість цього обертаються навколо немагнітного матеріалу.

Результат суперечить теоретичним прогнозам

Щоб зрозуміти, що відбувається у двох різних шарах, новий інструмент спочатку посилає фемтосекундний (або квадрильйонну частку секунди) інфрачервоний імпульс. Цей короткий імпульс змушує шари вібрувати по-різному залежно від їх складу. Потім дослідники посилають другий ультрафіолетовий лазерний імпульс, який може виміряти енергію та імпульс електронів у матеріалі. Разом ці два вимірювання можуть реєструвати рух електронів у часі.

«Це, по суті, фільм у фемтосекундному часовому масштабі», — сказав Ян. «І це дозволяє нам визначити, які електрони з якого шару».

Коли вони застосували цю техніку до матеріалу (MnBi2Te4)(Bi2Te3), вони виявили, що особливого електронного стану немає в магнітному шарі, що суперечить теоретичним прогнозам. Але оскільки матеріал мав би різко покращені квантові властивості, якби цей надструм пролягав у магнітному шарі, Янг і його команда спонукали дослідницьку спільноту в цілому повернутися до креслярської дошки, щоб переробити матеріал.

Янг каже, що цю техніку також можна використовувати для кращого розуміння інших спеціальних матеріалів, таких як топологічні надпровідники та так звані твістроніки, шаруваті матеріали, які розташовані під певним кутом, щоб створити різну поведінку електроніки.

«Коли ви створюєте нові матеріали для майбутніх застосувань, важливо мати зв’язок між синтезом і визначенням характеристик», — сказав він. «Це буде керувати наступною ітерацією синтезу та допоможе нам заповнити технологічну прогалину».