Квантовая физика и материалы, описанные благодаря этой науке, – основа современной цивилизации. Компьютерные микропроцессоры, лазеры, многочисленные датчики – все это плоды первой квантовой революции, в ходе которой ученые установили, из чего состоят материалы и как они проводят или не проводят электрический ток.
Первая квантовая революция определила правила, которым подчиняется природа. Открытие волнового поведения электрона позволило понять, как устроен атом и периодическая система химических элементов и как формируются химические связи, что в конечном итоге привело к развитию полупроводниковой физики и изобретению транзистора, а впоследствии – и всей нашей микроэлектроники.
Знание, что фотон может вести себя как волна или частица, подтолкнуло к созданию лазера в середине прошлого века. Вторая квантовая революция, начавшаяся в 1970-1980-х годах, позволяет вмешиваться в саму квантовую суть мира, в частности создавать материалы, которых не было в природе. Это открывает путь к квантовым компьютерам, квантовой криптографии, спинтронике.
Одно из перспективных направлений — разработка топологических материалов. Нобелевскую премию по физике за 2016 год вручили за «теоретическое исследование топологических фазовых переходов и топологического состояния вещества».
Лауреаты — американские физики британского происхождения Джон Костерлиц, Дэвид Таулесс и Дункан Голдейн. Нобелевский комитет мог бы отметить еще одного человека, киевлянина Вадима Березинского, исследование которого стало фундаментом, поддерживавшим работу нобелиатов. Но, к сожалению, он умер в 1980 году после долгой болезни.
Первый двумерный кристалл, графен, открыли лишь в 2004 году, однако говорили о возможности существования таких материалов давно. До работ Костерлица и Таулесса, которые базировались на математических статьях Березинского, считали, что 2D-кристаллы не могут существовать – они будут нестабильными и любая тепловая флуктуация их разрушит. Одна из характеристик кристаллов — наличие далеко идущего порядка, одного из способов повторения безграничной структуры.
Если представить себе безграничные пчелиные соты (а атомы в графене расположены как раз в вершинах шестиугольников), то их невозможно различить между собой – они все одинаковы, и если весь сот подвинуть на длину шестиугольника, не изменится ровным счетом ничего.
«До работ Костерлица и Таулесса считали, что в двумерных материалах невозможна сверхпроводимость и сверхтекучесть, – объясняет Сергей Шарапов, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института теоретической физики имени Н.М. Боголюбова. — Потому что тепловые флуктуации разрушат далеко идущий порядок. Они придумали, что порядок может сохраняться с помощью топологических объектов – вихрей. Вихри объединяются в пары, вихрь/антивихрь, сохраняющие порядок, а при высокой температуре они снова разъединяются, и явление исчезает».
Описанный процесс является топологическим фазовым переходом. Топология — раздел математики, изучающий неизменные по деформации объекты. Это означает, что при переходе от одного объекта к другому дополнительных разрывов не возникает. Из куска глины можно вылепить миску, и разрывов не будет. Но чтобы вылепить горн, надо сделать разрыв для ручки. Шар и миска по топологии, относятся к одному типу. Чашка с ручкой и кольцо – к другому, в них уже есть одно отверстие. Очки с двумя отверстиями — к третьему.
У топологических объектов может быть ноль отверстий, один, два, сколько угодно – но это всегда целое число. И это свойство используется для описания такого явления, как квантовый эффект Холла – еще одного топологического физического процесса, его теоретически описал Дункан Холдейн.
Сделанные из топологических изоляторов транзисторы будут потреблять вчетверо меньше энергии при вдвое меньшем напряжении. Компьютерная техника потребляет до 10% мировой электроэнергии, поэтому если такие устройства удастся реализовать и внедрить в производство, это приведет к значительному повышению энергоэффективности в нашем быту.
Обычный эффект Холла — известное явление в классической физике, которое Эдвин Холл открыл еще в конце XIX века. Он пропускал ток через проводник в присутствии перпендикулярного к нему магнитного поля. Вдоль перпендикулярного к току и полю направления возникало напряжение, а, следовательно, и электрическое сопротивление.
В 1980 году Клаус фон Клитцинг использовал тонкий полупроводник, охлажденный до очень низкой температуры, и обнаружил, что при тех же условиях сопротивление было квантовым. Значит, приобретало лишь определенные значения, и при усилении магнитного поля сопротивление менялось на «прыжки» вдвое, втрое и так далее, в зависимости от цели значения. Холдейн описал это явление с помощью топологии.
В эксперименте Клитцинга с тонкой пленкой электроны под действием магнитного поля накапливались с одного ее края. При изменении магнитного поля на противоположное значение по направлению — с другого края. Так край пленки проводил ток, и одновременно посередине она становилась изолятором. Ученым понадобилось более 20 лет, чтобы выявить класс материалов, топологических изоляторов с такими же свойствами.
В 2005 году американские физики Юджин Мели и Чарльз Кен предсказали это явление в уже упоминавшемся графене. К тому же они показали, что сами электроны, даже без приложения магнитного поля, могут образовывать такой эффект – его назвали спиновым квантовым эффектом Холла. Еще через год группа Шоучена Чжана из Стэнфорда открыла его в пленке теллурида ртути. А в 2008 году Захид Гасан из Принстона открыл первый трехмерный топологический изолятор – им стало соединение бисмута и стибия.
«Есть ряд материалов, которые в объеме показывают свойства изоляторов, а их поверхность – металлическая. К тому же, эти металлические состояния очень трудно разрушить – допованием, примесями, – говорит в комментарии «Неделе» Александр Кордюк, академик НАНУ и директор Киевского академического университета. – Когда я читал первые статьи Гасана, то не очень верил в «топологическую защищенность» поверхностных состояний. И потом сам делал эксперименты и убедился, что эти топологические поверхностные состояния существенно отличаются от традиционных, которые очень легко разрушить».
В топологических изоляторах можно заставить электроны с различными спинами (квантовое число, связанное с магнитными свойствами) двигаться в противоположных направлениях. Юджин Мели сравнил движение электронов в обычных проводниках с толпой, в которой люди идут хаотично. А топологические изоляторы — из метро, где люди в вагонах движутся лишь в определенных направлениях и не могут где-либо выйти из вагона. Такие свойства полезны в спинтронике – отрасли электроники, которая быстро растет и применяется в устройствах для считывания и хранения информации.
Обычные кремниевые транзисторы переключаются электрическим током, который их нагревает. Поскольку в топологических изоляторах направление спина электронов (вверх или вниз) зависит от их движения, чем можно управлять, то изменение спина может стать той же логической операцией 1 или 0. В этом году группа ученых из Австралии теоретически показала, что сделанные из топологических изоляторов транзисторы будут потреблять вчетверо меньше энергии при вдвое меньшем напряжении.
Компьютерная техника потребляет до 10% мировой электроэнергии, поэтому если такие устройства удастся реализовать и внедрить в производство, это приведет к значительному повышению энергоэффективности в нашем быту.
Вероятно, этому будет способствовать и свойство, открытое учеными из Университета Базеля, в Швейцарии. Они проводили вдоль поверхности топологического изолятора иглой атомно-силового микроскопа. Когда на нее подавали напряжение, на поверхности возникал небольшой электрический ток. Для обычного проводника часть электрической энергии при таких условиях рассеивается как тепло, и для топологического изолятора тепловых потерь почти не было.
«Кроме реализации в топологических изоляторах спинового тока, есть надежда получить в этих материалах майорановские фермионы. Это частицы, совпадающие со своими же античастицами. Их состояния особенно стабильны — благодаря чему, надеются решить проблему декогеренции квантовых кубитов, одного из препятствий на пути к квантовым компьютерам», – объясняет Александр Кордюк.
Кубиты, или квантовые биты, являются составляющей квантовых компьютеров. Однако состояния, в которых они находятся, очень уязвимы, поэтому майорановские фермионы могли бы «топологически защитить» их. Возможно, эти материалы будут применять в лазерной технике. В прошлом году группа физиков из Наньянского технологического университета отчиталась в журнале Nature о создании лазера на фотонных топологических изоляторах. Он работает на терагерцовых частотах, что может быть полезно для скрининга раковых опухолей или проверки безопасности в аэропортах.
«Сами по себе топологические материалы — широкое явление, они нуждаются в новейших методах исследования, – говорит Александр Кордюк. — Мы в КАУ вместе с Дрезденским институтом исследований твердого тела и материаловедения сделали проект UKRATOP, значительная часть которого направлена на образование, стажировку студентов и аспирантов в Германии. Они получают возможность работать на новом оборудовании, окунуться в среду западной науки, понять, как там устроена научная жизнь. Тема посвящена топологическим материалам, ведь так случилось, что именно этим мы занимаемся и имеем определенные наработки в этой сфере».
Автор: Олег Фея
Источник: Тиждень
Перевод: BusinessForecast.by
При использовании любых материалов активная индексируемая гиперссылка на сайт BusinessForecast.by обязательна.