В исследовании, проведённом учёными из Венского технического университета (TU Wien) и Свободного университета Берлина (FU Berlin), исследователи измерили, что происходит, когда теряется квантово-физическая информация. Это проясняет важные связи между термодинамикой, теорией информации и квантовой физикой.
Тепло и информация — это две очень разные концепции, которые на первый взгляд не имеют ничего общего. Тепло и энергия — центральные понятия в термодинамике, важной области физики. Теория информации, с другой стороны, — это абстрактная тема в математике.
Однако ещё в 1960-х физик Рольф Ландауэр смог показать, что эти две концепции тесно связаны: удаление информации неизбежно связано с обменом энергией. Невозможно удалить устройство хранения данных без выделения тепла во внешний мир.
Эта удивительная связь играет важную роль в квантовой теории сегодня. Теперь исследователи из TU Wien впервые смогли измерить это явление в квантовых системах, состоящих из многих частиц, и также количественно его оценить. Тезис Ландауэра был подтверждён: когда квантовая система «забывает» своё состояние, когда её информация удаляется, это сопровождается обменом энтропией и энергией между квантовой системой и её окружением. Исследование опубликовано в Nature Physics.
Профессор Йорг Шмидтмайер из Атомного института при TU Wien говорит: «Удаление информации никогда не бывает бесплатным. Независимо от того, как вы храните информацию, независимо от того, насколько вы экономичны и эффективны, удаление бита информации всегда приводит по крайней мере к определённому увеличению энтропии и, следовательно, к потере энергии».
Новая форма магнетизма
Физики из Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировали новую форму магнетизма, которая однажды может быть использована для создания более быстрых, плотных и менее энергоёмких чипов памяти на основе спинтронных технологий.
Новая магнитная форма представляет собой сочетание двух основных форм магнетизма: ферромагнетизма обычных магнитов на холодильник и антиферромагнетизма, при котором материалы имеют магнитные свойства на микроуровне, но не магнитизированы макроскопически.
Команда обнаружила новый p-волновой магнетизм в йодиде никеля (NiI₂), двумерном кристаллическом материале, который они синтезировали в лаборатории. Подобно ферромагнетику, электроны демонстрируют предпочтительную ориентацию спина, и, подобно антиферромагнетику, равные популяции противоположных спинов приводят к их взаимной компенсации. Однако спины на атомах никеля демонстрируют уникальный узор, образуя спиралевидные конфигурации внутри материала, которые являются зеркальными отображениями друг друга.
Исследователи обнаружили, что эта спиральная конфигурация спинов позволила им осуществить «переключение спинов»: в зависимости от направления спиралей в материале они могли применить небольшое электрическое поле в соответствующем направлении, чтобы легко переключить левостороннюю спираль спинов в правостороннюю спираль спинов и наоборот.
Способность переключать спины электронов лежит в основе «спинтроники», которая является предложенной альтернативой традиционной электронике. С помощью этого подхода данные могут быть записаны в виде спина электрона, а не его электронного заряда, что потенциально позволяет упаковывать на устройстве на порядки больше данных, используя при этом гораздо меньше энергии для записи и чтения этих данных.
Как электрическое поле может отключить сверхпроводимость
Транзисторы являются основой микрочипов и современной электроники. Их изобретение Бардином и Браттейном в 1947 году стало одной из ключевых научных вех XX века. Транзисторы работают, управляя электрическим током с помощью электрического поля, для чего требуются полупроводники. В отличие от металлов, в полупроводниках меньше свободных электронов и энергетическая щель, что затрудняет возбуждение электронов.
Допирование вводит носители заряда, обеспечивая протекание тока под действием электрического поля. Это позволяет реализовать нелинейное поведение тока и напряжения, делая возможным усиление сигнала или переключение, как в p–n переходах. Металлы, напротив, имеют слишком много свободных электронов, которые быстро перераспределяются, чтобы нейтрализовать внешние поля, препятствуя контролируемому протеканию тока — поэтому они не могут использоваться в качестве традиционных транзисторов.
Однако недавние достижения показывают многообещающие результаты в использовании ультратонких сверхпроводящих металлов в качестве потенциальных материалов для транзисторов. Когда температура опускается ниже критической, эти материалы проводят ток с нулевым сопротивлением. Это поведение возникает из-за образования куперовских пар — электронов, связанных колебаниями решётки, — которые конденсируются в когерентное квантовое состояние, устойчивое к рассеянию и потерям энергии.
Применение достаточно высокого статического электрического поля на поверхности плёнки неоднократно демонстрировало способность подавлять сверхпроводящий ток. Однако микроскопический механизм, с помощью которого работает это подавление тока, оставался загадкой.
Учёный выяснил, как работает весь механизм. Ключевым аспектом является то, что металлическая тонкая плёнка должна быть достаточно тонкой, чтобы глубина проникновения приложенного электрического поля была сопоставима с толщиной плёнки или, по крайней мере, не более чем на порядок меньше. Например, широко используемый нитрид ниобия имеет аномально большую глубину проникновения — 4–5 нм, что сопоставимо с толщиной плёнки около 10–30 нм. Это гарантирует, что экспоненциально затухающее электрическое поле никогда не будет идентично нулю внутри плёнки.
Не исчезающее электрическое поле, в свою очередь, способствует квантовому туннелированию электрона, связанного в куперовской паре, посредством процесса, который можно количественно оценить, используя стандартную квантовую механику для оценки характерной величины электрического поля, необходимого для разрушения куперовской пары.
Таким образом, учёным впервые удалось правильно количественно оценить величину электрического поля, необходимого для подавления сверхпроводимости в тонких плёнках, и это значение порядка ста миллионов вольт на метр хорошо согласуется с экспериментально определёнными значениями.