Вчені створили матеріал із двох «неможливих» компонентів

Уявіть собі: ви берете два матеріали, кожен з яких — сам по собі головний біль для фізиків, справжня екзотика зі світу квантової механіки. скласти їх разом, як шари у бутерброді? Але саме цим і зайнялася міжнародна команда вчених під егідою Ратгерського університету. квантових світу стикаються.

Знайомтесь: «неможливі» сусіди

З одного боку нашого сендвіча — титанат диспрозія. Звучить солідно, правда? Це не просто якесь з’єднання. У певних умовах воно перетворюється на так званий «спиновий лід». Не поспішайте уявляти собі заморожене газування! Тут «лід» означає особливу, дуже впорядковану, але при цьому «фрустровану» структуру крихітних магнітних моментів — спинів. Вони поводяться так хитро, що всередині матеріалу виникають квазічастинки, що імітують магнітні монополі. Пам’ятаєте зі школи, у магніту завжди два полюси, північний та південний? А ось монополь — це гіпотетична частка лише з одним полюсом. Поль Дірак передбачив їх ще 1931 року, але «живцем» їх так і не зловили. А тут — будь ласка, усередині спинового льоду вони немов оживають завдяки колективному танцю електронів. Чудеса, та й годі!

З іншого боку – пірохлор-іридат. Теж не звичайнісінький хлопець у світі матеріалів. Це магнітний напівметал, і його головна фішка — це будинок для ферміонів Вейля. Ще одні екзотичні частки, провіщені Германом Вейлем майже сто років тому і виявлені в кристалах зовсім недавно. Вони поводяться як частинки без маси, носяться майже зі швидкістю світла і мають певну «хіральність» — бувають «лівими» та «правими». Що важливо для практики, вони неймовірно стійкі до зовнішніх збурень. Уявіть собі надшвидкісний та суперстабільний носій інформації – ось це про них.

Кожен із цих матеріалів — вже сам собою знахідка для дослідника, вікно в дивний і дивовижний квантовий світ. А тепер уявіть, що їх звели разом.

Не просто скласти, а виростити!

Що зробили вчені? Вони збудували спеціальну установку! Назвали її Q-DiP. Цей хитромудрий пристрій поєднує лазерне нагрівання з лазером для пошарового атомного осадження. Воно дозволяє вирощувати ці складні структури з ювелірною точністю, а потім вивчати їх властивості при температурах, близьких до абсолютного нуля, там, де квантові ефекти виявляються у всій красі. По суті, щоб створити цей неможливий сендвіч, довелося спочатку винайти інструмент спеціально під завдання. Це саме собою вже досягнення!

Коли світи стикаються: магія кордону розділу

Добре, що структуру створили. Але найцікавіше починається саме там, де ці два матеріали зустрічаються — на межі розділу чи інтерфейсі. Що відбувається, коли світ магнітних монополів зі спинового льоду стикається зі світом стрімких ферміонів Вейля з пірохлоріридату?

Це поки що незвідана територія. Вчені припускають, що саме на цьому кордоні можуть народжуватися нові, небачені раніше квантові стани. Можливо, взаємодія цих екзотичних квазічастиць призведе до появи унікальних електронних або магнітних властивостей, яких немає в жодному з батьківських матеріалів окремо. Саме цей інтерфейс зараз головний об’єкт досліджень. Це як відчинити двері до кімнати, де змішалися закони двох різних всесвітів. Що там знайдуть? Поки що можна тільки гадати, але очікування дуже високі.

Навіщо всі ці складнощі? Приціл на майбутнє

Звичайно, такі фундаментальні дослідження — це довга гра. Але потенційні плоди вражають.

По-перше, це квантові обчислення. Сьогодні одна з головних проблем – створення стабільних кубітів, квантових аналогів бітів у звичайному комп’ютері. Кубіти примхливі, легко втрачають свій квантовий стан через найменші зовнішні впливи. Ферміони Вейля відомі своєю стабільністю. Можливо, комбінація їх властивостей із властивостями спинового льоду дозволить створити нові типи кубітів — стійкіші та надійніші. А це прямий шлях до потужних квантових комп’ютерів, здатних вирішувати завдання, непосильні для сучасних суперкомп’ютерів: від створення нових ліків до оптимізації глобальної логістики.

По-друге, квантові рецептори. Унікальні електронні та магнітні відгуки нового матеріалу можуть лягти в основу надчутливих датчиків. Уявіть собі сенсори, здатні вловлювати найдрібніші зміни магнітних полів або інших параметрів — це може зробити революцію в медицині (наприклад, МРТ), в геології, в матеріалознавстві.

І, звісно, ​​спинтроніка — область електроніки, яка використовує як заряд електрона, а й його спин (магнітний момент). Новий матеріал з його багатим магнітним життям може підказати шляхи створення більш швидких і енергоефективних електронних пристроїв.

Не просто матеріал, а новий підхід

Важливо розуміти: досягнення команди з Ратгерса — це не лише про конкретний сендвіч з титанату диспрозію та пірохлор-іридату. Це для розробки способу — методу конструювати абсолютно нові штучні квантові матеріали з заздалегідь заданими якостями, атомний шар за атомним шаром. Це як отримати доступ до нескінченного конструктора LEGO на квантовому рівні.

Отже, хоча ми ще тільки заглядаємо в замкову щілину світу, що народжується на стику двох «неможливих» матеріалів, вже ясно: вчені отримали до рук потужний інструмент для дослідження та, можливо, управління квантовою реальністю. І хто знає, які ще дивовижні структури та властивості чекають на нас попереду на цьому шляху? Схоже, найцікавіше лише починається.