В материале, который может быть использован для создания самозаряжающихся квантовых компьютеров и квантовых компьютеров для работы в открытом космосе, обнаружено новое квантовое состояние вещества.
Это состояние материи было независимо теоретически предсказано несколькими исследователями в середине 1960-х годов. Его обнаружение в ходе лабораторного эксперимента опубликовано в журнале Physical Review Letters.
«Это новое состояние материи, похожее на то, как вода может существовать в виде жидкости, льда или пара», — говорит автор исследования Луис А. Хауреги, профессор физики и астрономии в Калифорнийском университете в Ирвайне (США).
Эксперименты с уникальным материалом
Эксперименты, проведённые с уникальным материалом — пентатетралюминидом гафния (HfTe5), показали, что он может вести себя как экситонный изолятор.
Изоляторы — это материалы, которые препятствуют проведению электричества. Они делают это из-за наличия «запрещённой зоны», разделяющей электроны во внешнем заполненном слое атома от энергетических уровней, где может происходить проводимость.
Экситонные изоляторы имеют зазор из-за появления экситонов. Экситоны — это не «реальные» частицы в том смысле, в каком ими являются электроны. Это квазичастицы — объекты, которые ведут себя как частицы, — образованные парой связанных электронов и «дыр».
Дырки также являются квазичастицами. Они представляют собой отсутствие электрона — отсутствие, которое может действовать как положительно заряженная противоположность электрона в атоме или материале.
Образование экситонов в некоторых материалах в экстремальных условиях, таких как очень низкие температуры и очень высокие магнитные поля, приводит к образованию экситонных изоляторов.
Особенности нового экситонного изолятора
Предыдущие доказательства существования экситонных изоляторов в других материалах были ограничены теоретическими работами, двумерными материалами и неподтверждёнными тестами. Это связано с тем, что экситоны были образованы из электронно-дырочных пар, у которых электрон и дырка имели одинаковое направление спина, что приводило к возникновению синглетного экситона.
Новый экситонный изолятор HfTe5 имеет электроны и дырки с противоположным спином, что приводит к возникновению триплетного экситона.
«В отличие от обычных синглетных экситонных изоляторов, триплетное состояние сохраняет трансляционную симметрию и потенциально более устойчиво в экстремальных условиях. Это открытие прокладывает путь для изучения возникающих явлений переноса спина», — пишут авторы исследования.
«Это нечто новое», — говорит Хауреги. «Если бы мы могли держать его в руках, он бы светился ярким светом высокой частоты».
Хауреги и его коллеги создали новое квантовое состояние материи, применив магнитное поле напряжённостью около 70 тесла. Магнитное поле сильного холодильника составляет около 0,1 Тл, а магнитное поле Земли — всего от 25 до 65 миллионных долей тесла.
Ещё одним преимуществом экситонного изолятора HfTe5 является то, что, хотя для его работы требуются интенсивные магнитные поля, они ничтожны по сравнению с ультравысокими магнитными полями напряжённостью до 600 Тл, необходимыми для некоторых синглетных экситонных изоляторов со спином.
После приложения магнитного поля «способность материала проводить электричество внезапно падает, показывая, что он перешёл в это экзотическое состояние», — говорит Хауреги.
«Это открытие важно, поскольку оно может позволить передавать сигналы с помощью спина, а не электрического заряда, открывая новый путь к энергоэффективным технологиям, таким как электроника на основе спина или квантовые устройства», — добавляет он.
Новый экситонный изолятор не подвержен воздействию радиации, в отличие от других кандидатов.
«Это может быть полезно для космических миссий. Если вы хотите, чтобы компьютеры в космосе работали долго, это один из способов добиться этого», — говорит Хауреги.