Вчені створили перший у світі «квантовий напівпровідник»

Напівпровідникові пристрої — це невеликі компоненти, які керують рухом електронів у сучасних електронних гаджетах. Вони необхідні для живлення широкого спектра високотехнологічних продуктів, включаючи мобільні телефони, ноутбуки та датчики транспортних засобів, а також найсучасніші медичні пристрої. Однак присутність матеріальних домішок або коливання температури можуть перешкоджати потоку електронів, спричиняючи нестабільність.

Але тепер фізики-теоретики та експериментатори з Вюрцбурзько-Дрезденського кластеру передового досвіду ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter розробили напівпровідниковий пристрій з арсеніду алюмінію-галію (AlGaAs). Електронний потік цього пристрою, зазвичай чутливий до перешкод, захищений топологічним квантовим явищем. Це новаторське дослідження нещодавно було детально описано в поважному журналі Nature Physics .

«Завдяки топологічному скін-ефекту на всі струми між різними контактами квантового напівпровідника не впливають домішки чи інші зовнішні збурення. Це робить топологічні пристрої все більш привабливими для напівпровідникової промисловості. Вони усувають потребу в надзвичайно високому рівні чистоти матеріалу, який зараз підвищує витрати на виробництво електроніки», – пояснює професор Єрун ван ден Брінк, директор Інституту теоретичної фізики твердого тіла в Інституті дослідження твердого тіла та матеріалів імені Лейбніца в Дрезден (IFW) і головний дослідник ct.qmat.

Топологічні квантові матеріали, відомі своєю винятковою міцністю, ідеально підходять для енергоємних застосувань. «Наш квантовий напівпровідник одночасно стабільний і водночас дуже точний — рідкісне поєднання. Це позиціонує наш топологічний пристрій як новий захоплюючий варіант у сенсорній техніці».

Надзвичайно міцний і надточний

Використання топологічного скін-ефекту дозволяє створювати нові типи високопродуктивних електронних квантових пристроїв, які також можуть бути неймовірно малими. «Діаметр нашого топологічного квантового пристрою становить близько 0,1 міліметра, і його можна легко зменшити», — розповідає ван ден Брінк. Піонерський аспект цього досягнення команди фізиків із Дрездена та Вюрцбурга полягає в тому, що вони першими реалізували топологічний скін-ефект у мікроскопічному масштабі в напівпровідниковому матеріалі. Це квантове явище було спочатку продемонстровано на макроскопічному рівні три роки тому, але лише в штучному метаматеріалі, а не в природному. Таким чином, це перший випадок, коли було розроблено крихітний топологічний квантовий пристрій на основі напівпровідника, який одночасно є надзвичайно надійним і надчутливим.

«У нашому квантовому пристрої співвідношення струм-напруга захищено топологічним скін-ефектом, оскільки електрони обмежені краєм. Навіть у разі наявності домішок у напівпровідниковому матеріалі струм залишається стабільним», — пояснює ван ден Брінк. Він продовжує: «Крім того, контакти можуть виявляти навіть найменші коливання струму чи напруги. Це робить топологічний квантовий пристрій виключно добре придатним для створення високоточних датчиків і підсилювачів з мізерними діаметрами».

Інноваційні експерименти ведуть до відкриттів

Успіх був досягнутий шляхом творчого розміщення матеріалів і контактів на напівпровідниковому пристрої AlGaAs, викликаючи топологічний ефект в ультрахолодних умовах і сильному магнітному полі. «Ми справді витягли з пристрою топологічний скін-ефект», — пояснює ван ден Брінк. Команда фізиків використовувала двовимірну напівпровідникову структуру. Контакти були розташовані таким чином, що електричний опір можна було виміряти на краях контактів, безпосередньо виявляючи топологічний ефект.

Об’єднані дослідження в різних місцях

З 2019 року ct.qmat досліджує топологічні квантові матеріали у Вюрцбурзі та Дрездені, досліджуючи їх незвичайну поведінку в екстремальних умовах, таких як наднизькі температури, високий тиск або сильні магнітні поля.

Нещодавній прорив також є результатом тривалої співпраці вчених у двох місцях кластера. Новий квантовий пристрій, розроблений на IFW, був результатом спільних зусиль за участю фізиків-теоретиків з Університету Вюрцбурга, а також дослідників-теоретиків та експериментаторів у Дрездені. Після виробництва у Франції пристрій було випробувано в Дрездені. Йерун ван ден Брінк і його колеги зараз присвячені подальшому дослідженню цього явища, прагнучи використати його для майбутніх технологічних інновацій.