Физики подтверждают существование квантовой спиновой жидкости в новом исследовании
Учёные всего мира работают над тем, чтобы сделать квантовые технологии масштабными — достижение, требующее надёжного способа генерации кубитов, или квантовых битов, которые являются фундаментальными единицами информации в квантовых вычислениях.
На пути к кубитам
Задача пока остаётся сложной, но одним из материалов, который привлёк большое внимание как возможная платформа для кубитов, является гексагональный нитрид бора (h-BN) — двумерный материал, в котором могут размещаться твердотельные однофотонные излучатели (SPE).
В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, учёные из Университета Райса и их коллеги из Национальной лаборатории Ок-Риджа и Сиднейского технологического университета сообщают о первой демонстрации низкошумовых квантовых излучателей при комнатной температуре в h-BN, созданных с помощью масштабируемого метода роста.
Метод и результаты
Исследователи использовали импульсное лазерное осаждение (PLD) для синтеза плёнок h-BN, намеренно добавляя атомы углерода в процессе осаждения. Углерод встраивается в атомную решётку h-BN таким образом, что генерируются так называемые дефекты или неровности. Эти дефекты — скорее особенность, чем недостаток, они функционируют как надёжные и производительные однофотонные излучатели.
«Наша работа демонстрирует масштабируемый метод создания высокопроизводительных SPE в h-BN, что является важным шагом на пути к практическим источникам квантового света», — сказал Арка Чаттерджи, научный сотрудник лаборатории Риса электротехника Шэнси Хуанга. «Этот прорыв прокладывает путь для интеграции квантовых излучателей в реальные фотонные и квантовые информационные системы».
Квантовые биты и их значение
Эквивалентом кубита в классических вычислениях является бит, сокращение от «двоичная цифра», что означает, что он может иметь одно из двух значений: 1 или 0. Бит делает возможными современные технологии вычислений и связи, а основным способом встраивания этого двоичного состояния в физические системы в наших нынешних устройствах является электрический заряд: например, в транзисторах и вычислительных чипах присутствие или отсутствие заряда определяет логическое значение бита и служит для кодирования информации.
Надёжные SPE, подобные разработанным в этом исследовании, являются ключом к кодированию и управлению кубитами в новых платформах квантовых вычислений и связи.
Интеграция квантовых технологий
Чтобы хорошо работать, SPE должны работать надёжно и равномерно, производя только один фотон одинакового вида за раз — сложная задача для структур, которые обычно называют «дефектами» или «примесями».
«Мы предположили, что введение углерода во время прямого роста плёнок h-BN может создать дефектные центры, способные излучать высокочистые одиночные фотоны при комнатной температуре», — сказал Чаттерджи, который является первым автором исследования.
Для проверки этой гипотезы команда обратилась в лабораторию материаловеда Риса Пуликкеля Аджаяна, где научный сотрудник Абхиджит Бисвас использовал PLD для создания сантиметровых тонких плёнок h-BN, легированных углеродом.
Перспективы
Результаты могут позволить интегрировать SPE в чиповые квантовые устройства и датчики, наконец-то открыв долгожданный переход к технологиям на основе квантов для связи, обработки информации и зондирования.
«Сочетание чистоты, масштабируемости и эксплуатационной стабильности устанавливает новый стандарт и решает давние проблемы в этой области», — сказал Хуан.
Международная команда учёных под руководством Пэнчэна Дая из Университета Райса подтвердила существование эмерджентных фотонов и фракционализированных спиновых возбуждений в редкой квантовой спиновой жидкости.
Квантовая спиновая жидкость: подтверждение существования
Опубликованные в Nature Physics 19 июня результаты определяют кристаллическое соединение оксида церия-циркония (Ce₂Zr₂O₇) как чёткую трёхмерную реализацию этого экзотического состояния материи.
Квантовые спиновые жидкости давно были предметом теоретических исследований и обещают революционные технологии, включая квантовые вычисления и передачу энергии без потерь.
«Мы ответили на важный открытый вопрос, непосредственно обнаружив эти возбуждения», — сказал Дай, профессор физики и астрономии Сэма и Хелен Уорден. «Это подтверждает, что Ce₂Zr₂O₇ ведёт себя как истинный квантовый спиновый лёд, особый класс квантовых спиновых жидкостей в трёх измерениях».
Исследовательская группа использовала современные методы поляризованного рассеяния нейтронов, чтобы изолировать и идентифицировать признаки поведения квантовой спиновой жидкости. Эти инструменты позволили им отделить магнитное рассеяние от всех других сигналов, даже при нулевой температуре.
Между тем измерения позволили им обнаружить эмерджентные фотонные сигналы вблизи нулевой энергии — ключевая особенность, отличающая квантовый спиновый лёд от других обычных фаз в обычных магнитах. Дополнительные измерения удельной теплоёмкости соединения предоставили дополнительную поддержку, предполагая, что предсказанные эмерджентные фотоны имеют дисперсию, подобную тому, как звук распространяется в твёрдом теле.
Технические шумы и неполные данные часто мешали более ранним попыткам подтвердить такое поведение. Команда исследователей преодолела эти барьеры благодаря усовершенствованной подготовке образцов и прецизионным инструментам, включая международное сотрудничество из крупных лабораторий в Европе и Северной Америке.
Примечательно, что эмерджентные фотоны и спиноны — отличительные признаки квантового спинового льда — были обнаружены в трёхмерном материале-кандидате. Открытие исследователей положило конец давним дебатам в физике конденсированных сред и обеспечивает надёжную платформу для изучения технологий следующего поколения.