Hf2Te2P — «кремний» квантовых компьютеров?
Видимо и дня не проходит без того, чтобы кто-то не заговорил о квантовых компьютерах. Эта технология обещает нам устройства, работающие по принципу «быстрее, выше, сильнее», при этом пока сложно полноценно описать все ее преимущества и недостатки. Однако перспектива невероятно быстрых вычислений и передачи данных, а также хранения огромного объема данных «в маковом зернышке» несомненно привлекательна. И для достижения столь желанных высот необходимо много труда, ибо новая технология это новые принципы, новые устройства и, конечно же, новые материалы. Классические, как теперь принято называть, компьютеры в качестве материала-фундамента используют кремний. А что используют квантовые? Об этом и пойдет речь в исследовании, рассматриваемом нами сегодня. Что это за новые свойства уже известного вещества, почему внимание уделили именно ему и почему его величают «прорывом» в квантовых технологиях? Ответы сокрыты в докладе ученых. Осталось их только найти. Поехали.
Предыстория и основа исследования
Огромным стимулом для повторного изучения различных веществ с желанием найти в них свойства, полезные для квантовых технологий, стало открытие топологических изоляторов*. Подобные материалы впервые были описаны еще в 80-е годы, но реально их обнаружить удалось лишь в недалеком 2007 году.
Топологический изолятор* (ТИ) — материал, внутренняя часть которого является изолятором, а поверхностная проводит электрический ток.
Эти материалы подтолкнули ученых исследовать нестандартные поверхностные состояния* уже известных и определенно полезных для квантовых компьютеров веществ.
Поверхностное состояние* — электронное состояние поверхности твердого тела.
Поверхностные состояния, характерные топологическим изоляторам, могут иметь различное происхождение, к примеру сильное спин-орбитальное взаимодействие* или эффект электронной корреляции. В любом случае, если понять происхождение подобных состояний, то можно использовать их в реализации столь масштабного и амбициозного проекта как квантовые технологии.
Спин-орбитальное взаимодействие* — взаимодействие движущейся частицы и ее собственного магнитного момента, вызванное спином этой частицы.
Первым представителем ТИ стало соединение висмута, теллура и серы, известное под названием тетрадимит (Bi2Te2S). Поверхностное состояние тетрадимита было основано на спин-орбитальном взаимодействии и подкреплялось т-симметрией*.
T-симметрия* — симметрия уравнений по отношению к обращению времени (то есть к замене времени t на -t).
Также стоит упомянуть и топологические полуметаллы Дирака, такие как Cd3As2 и Na3Bi. В них была обнаружена связь между зоной валентности* и зоной проводимости* в определенных дискретных точках зоны Бриллюэна*.
Валентная зона* — энергетическая зона электронного состояния твердого тела, заполненная валентными электронами и отвечающая за электропроводимость тела.
Зона проводимости* — энергетическая зона электронного состояния твердого тела незаполненная электронами.
Когда электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, пройдя запрещенную зону, они начинают перемещаться под воздействием электрического поля, т.е. участвуют в проводимости.
Зона Бриллюэна*
а) — для простой кубической решетки;
b) — для гексагональной решётки.
В данных материалах присутствует кристаллическая и инверсионная симметрия.
Весьма интересная ситуация была связана с другим полуметаллом, арсенид тантала (полуметалл Вейля). Еще в 1929 Герман Вейль сформулировал уравнение движения для безмассовой двухкомпонентной частицы, названное в его честь. Занимаясь этим, ученый предсказал существование так называемого фермиона Вейля. Вплоть до 2015 года никому не удавалось получить полуметалл Вейля, а следовательно и зафиксировать предсказанную им частицу с полуцелым значением спина. Когда же через кристалл арсенида тантала пропустили рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, ученым удалось изучить физические свойства необычного вещества. Обнаружены были возбуждения решетки, проявляющие себя как фермионы Вейля.
Фермионы Вейля удивительны тем, что в отличие от электронов не подвержены обратному рассеянию, когда частица наталкивается на препятствие. Частицы Вейля просто проходят сквозь или обтекают препятствие, будто его для них и нет вовсе.
Подобные материалы вызывают живейший интерес ученых, поскольку могут кардинально изменить мир компьютерных технологий благодаря своим необычайным свойствам.
Как мы видим, вполне достаточно и вышеперечисленных материалов для внедрения в квантовые технологии. Однако целью сегодняшних наших героев был поиск не просто подходящего материала, а воистину идеального, совмещающего в себе сразу несколько важных свойств.
Таким веществом стал металл Hf2Te2P, в котором были обнаружены топологические фермионные поверхностные состояния, пересечение Дирака и дуга Дирака. Весьма впечатляющая смесь в одном флаконе.
Экспериментальные измерения
Основным методом выявления всего вышеперечисленного послужила фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением.
Изображение №1: Кристаллическая структура и характеризация образца Hf2Te2P.
На изображении 1а представлена ромбоэдрическая тетрадимитовая кристаллическая структура Hf2Te2P. Квадратами выделены 2 группы плотнейшей пятислойной упаковки атомов*. Красная звезда указывает на центр инверсии*. Фиолетовые точки это Te (теллур), зеленые — Hf (гафний), а желтые — P (фосфор).
Пример плотнейшей упаковки атомов.
Инверсия* — преобразование пространства эквивалентное математическому понятию «отражение».
График 1b отображает температурную зависимость электросопротивления, измеренную в одном кристалле Hf2Te2P при воздействии магнитного поля перпендикулярно току, текущему в базисной плоскости кристаллографической элементарной ячейки. Коричневая линия — магнитное поле в 0 Тл; оранжевая линия — магнитное поле в 9 Тл.
Также на графике 1b мы видим изображение монокристалла* Hf2Te2P, выращенного для проведения данного исследования.
Монокристалл* — отдельный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.
График 1с отображает зависимость магнитосопротивления при различных температурах в монокристалле Hf2Te2P, когда ток протекает в базисной плоскости кристаллографической элементарной ячейки.
Проекция объемной зоны Бриллюэна на гексагональную поверхность той же зоны кристалла Hf2Te2P, где отмечены точки высокой симметрии, показана на рисунке 1d.
И, наконец, изображение 1е показывает результаты измерений уровня ядра Hf2Te2P. Тут видны большие пики Te 4d (теллур) и Hf 4f (гафний), что является показателем высокого качества испытуемого образца.
Помимо определения нескольких конусов Дирака* в точке Γ (изображение 1d) при различном уровне энергии связи* ниже и выше уровня Ферми*, также была выявлена дуга Дирака, централизованная в точке М вдоль направления Г-М-Г в плоскости импульса энергии.
Конусы Дирака*
Уровень Ферми* — увеличение энергии основного состояния системы при добавлении 1 частицы; максимальная энергия фермиона в основном состоянии при температуре абсолютного нуля.
Изображение №2: Поверхность Ферми и наблюдение множественных фермионных состояний
Изображения в группе 2а показывают различные поверхности Ферми при разном уровне фотонной энергии (80 эВ, 90 эВ и 100 эВ). Белыми пунктирными линиями под номером 1 и 2 обозначено направление дисперсии.
Изображения от b до d показывают карты дисперсии, измеренные вдоль различных высоко симметричных направлений при разном уровне фотонной энергии. Данные были получены с помощью экспериментальной станции источника синхротронного излучения* при температуре 18 К (-255.15 °C).
Синхротронное излучение* — электромагнитное излучение, которое испускают заряженные частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями по траекториям, искривлённым магнитным полем.
Изображение №3: экспериментальные наблюдения дуги Дирака.
На изображениях группы 3а видны контуры поверхности постоянной энергии при различных показателях энергии связи (от 0 до 1000 мэВ, миллиэлектронвольт). Отчетливо видна поверхность Ферми в форме цветка с шестью лепестками, говорящая о том, что даже в металлическом дираковском материале возможна столь ярко выраженная дисперсия. Ниже, на 3b, показаны контуры постоянной энергии ближе к дуге Дирака.
3с — дисперсионная карта по направлению K-M-K вдоль направления разреза, выявленная для поверхности постоянной энергии при уровне энергии связи около 1000 мэВ.
Приближаясь к подведению итогов стоит отметить все фермионные состояния, определенные в образце посредством расчетов и экспериментальных наблюдений.
Изображение №4: множественные фермионные состояния.
Подведение итогов
Как уже было сказано ранее, одним из важнейших наблюдений была поверхность Ферми в форме цветка с шестью лепестками, говорящая о том, что даже в металлическом дираковском материале возможна столь ярко выраженная дисперсия. Такой же важностью обладают и конусы Дирака с линейной дисперсией в широком диапазоне энергий (~ 2,3 эВ), что больше чем у полуметтала ZrSiS (~ 2 эВ).
Стоит отметить, что в уже хорошо изученных топологических изоляторах n-типа Bi2Se3/Bi2Te3 (5a) экспериментально было обнаружено, что нижний и верхний поверхностные конусы Дирака располагают уровнем Ферми значительно выше точки Дирака (точки соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости). В случае с Sb2Te3, материалом p-типа, точка Дирака расположена значительно выше уровня Ферми (5b). В некоторых же других материалах наблюдается соприкосновение объемной проводимости и зоны валентности в одномерной петле, защищенной несимморфной симметрией (5с).
И все эти три феномена встречаются в одном материале сразу, в Hf2Te2P (5d, 5e). До сего момента еще ни один материал не мог похвастаться подобным.
Для ознакомления с подробностями расчетов и измерений настоятельно рекомендую почитать доклад исследователей, доступный по этой ссылке.
Также исследователи предоставили доступ для всех желающих к дополнительным материалам своей работы.
Эпилог
Подобные исследования никоим образом нельзя назвать простыми. Квантовые технологии вообще сложно назвать легкими, по крайней мере мне. Однако подобный колоссальный труд может окупиться в стократ, поскольку обнаруженные исследователями ранее скрытые свойства известного материала могут расширить спектр возможностей в реализации квантовых вычислительных машин. Совокупность нескольких полезных свойств в одном материале могут быть преимуществом над сложностью его изготовления. Возможно, если кому-то не удастся найти альтернативу вышеописанному материалу, он может стать Розеттским камнем технологий будущего. Все эти исследования, хоть и подкреплены экспериментальными измерениями и наблюдениями, все же остаются по большей степени теоретическими. Лишь практическая реализация какого-либо устройства с использованием подобных материалов сможет на 100% уверить нас в его уникальности и невероятной полезности, о чем говорят ученые. В любом случае, торопиться не стоит. Долгий путь еще нужно преодолеть миру науки, чтобы подобные исследования вошли в историю, как открытия прошлого, повлиявшие на наше будущее.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
