Новое состояние материи – «половина лед, половина огонь» – может ускорить развитие квантовых вычислений
Американские ученые открыли новую фазу материи, которую образно назвали «половина лед, половина огонь». Это уникальное состояние возникает в особом магните и объединяет противоположные спины электронов необычным образом. Исследователи считают, что это открытие способно привести к значительным прорывам в области квантовых вычислений.
Новое состояние было обнаружено в материале под названием трителлурид неодима (NdTe₃) при температурах, близких к абсолютному нулю. В этом состоянии электроны ведут себя парадоксально: они одновременно и «заморожены», подобно молекулам воды во льду, и проявляют квантовую динамику, похожую на «огонь».
Что такое фрустрация спинов и «спиновая жидкость»?
Чтобы понять суть открытия, нужно вспомнить о спине электрона. Это квантовое свойство можно упрощенно представить как крошечный внутренний магнит, который может указывать «вверх» или «вниз». В обычных магнитах при низких температурах спины электронов выстраиваются в упорядоченную структуру – например, все смотрят в одном направлении (ферромагнетики) или чередуются (антиферромагнетики).
Однако в некоторых материалах, включая NdTe₃, кристаллическая структура не позволяет электронам легко выбрать определенное направление спина. Представьте, что электроны пытаются выстроиться антипараллельно друг другу на треугольной решетке – это невозможно сделать для всех трех соседей одновременно. Такое состояние «замешательства» называется фрустрацией.
Материалы, где спины остаются неупорядоченными даже при очень низких температурах из-за фрустрации, называют спиновыми жидкостями. Термин «жидкость» подчеркивает их динамическую природу, в отличие от «замороженного» порядка обычных магнитов.
«Лед» и «Огонь» в одном флаконе
Новое состояние в NdTe₃ сочетает в себе черты двух известных экзотических состояний:
- «Спиновый лед»: Электроны находятся в состоянии фрустрации, похоже на то, как молекулы воды распределены во льду. Локально они пытаются упорядочиться, но глобального порядка нет. Это «ледяная» часть.
- Квантовые флуктуации: В отличие от классического «спинового льда», где спины статичны, в NdTe₃ электроны постоянно меняют направление своих спинов из-за квантовых эффектов. Это динамичное поведение похоже на мерцание пламени – «огненная» часть.
Именно сочетание фрустрации («лед») и квантовых флуктуаций («огонь») делает это состояние уникальным. По сути, это квантовая спиновая жидкость, но с дополнительными особенностями, напоминающими спиновый лед.
Как было сделано открытие?
Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) и Университета Райса использовали мощный инструмент — источник нейтронов Spallation Neutron Source (SNS). Они направляли пучки нейтронов на кристалл NdTe₃, охлажденный почти до абсолютного нуля (-273 °C).
Нейтроны, сами обладающие магнитным моментом, взаимодействуют со спинами электронов в материале. Анализируя, как нейтроны рассеиваются после прохождения через образец, ученые смогли составить карту магнитных узоров внутри кристалла. Именно эти узоры и выявили необычное «полу-ледяное, полу-огненное» поведение спинов.
Значение для квантовых вычислений
Почему это открытие так важно для будущего технологий? Главная надежда связана с квантовыми вычислениями. Основа квантовых компьютеров – кубиты, квантовые биты. В отличие от классических битов (0 или 1), кубиты могут находиться в суперпозиции состояний (и 0, и 1 одновременно) и быть квантово запутанными.
Однако кубиты чрезвычайно чувствительны к внешним помехам – малейший шум может разрушить их хрупкое квантовое состояние. Это главная преграда на пути создания мощных и стабильных квантовых компьютеров.
Новое состояние материи обладает так называемой топологической природой. Это означает, что квантовая информация, закодированная в запутанных спинах такой системы, может быть устойчива к локальным возмущениям. Представьте себе узел на веревке: его общая форма (топология) не изменится, даже если вы немного подергаете веревку в разных местах. Подобным образом топологические кубиты могли бы защитить квантовую информацию.
Экзотические состояния, подобные обнаруженному «полу-льду, полу-огню», считаются перспективной платформой для создания таких защищенных кубитов. Стабильность, которую они могут предложить, критически важна для масштабирования и надежности систем квантовых вычислений.
Хотя до практического применения еще далеко, открытие нового уникального состояния материи расширяет наше понимание квантового мира и открывает новые пути для разработки технологий будущего.