Исследователи добились контроля над квантовой интерференцией на атомном уровне.
Представьте себе:
* промышленные процессы, которые создают материалы или химические соединения быстрее, дешевле и с меньшим количеством этапов, чем когда-либо прежде;
* обработку информации на вашем ноутбуке за секунды вместо минут;
* суперкомпьютер, который обучается и адаптируется так же эффективно, как человеческий мозг.
Все эти возможности зависят от одного: взаимодействия электронов в веществе.
Команда учёных из Университета Оберна разработала новый класс материалов, который даёт учёным беспрецедентный контроль над этими крошечными частицами. Их исследование [опубликовано](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.5c00756) в ACS Materials Letters.
Роль электронов в химических процессах и технологиях
Электроны играют ключевую роль в переносе энергии, образовании связей и проводимости. Они — основа химического синтеза и современных технологий. В химических процессах электроны запускают окислительно-восстановительные реакции, способствуют образованию связей и критически важны в катализе. В технологических приложениях управление потоком и взаимодействием между электронами определяет работу электронных устройств, алгоритмов искусственного интеллекта, фотоэлектрических приложений и даже квантовых вычислений.
В большинстве материалов электроны прочно связаны с атомами, что ограничивает их использование. Но в электридах электроны свободно перемещаются, создавая совершенно новые возможности.
Новый класс материалов
«Изучая, как управлять этими свободными электронами, мы можем создавать материалы, которые природа никогда не задумывала», — говорит доктор Евангелос Милиордос, доцент кафедры химии в Оберне и старший автор исследования.
Команда из Обернского университета предложила новые структуры материалов, названные поверхностно-иммобилизованными электридами. Они закрепили специальные молекулы — предшественники сольватированных электронов — на стабильных поверхностях, таких как алмаз и карбид кремния. Эта конструкция делает электронные свойства электридов надёжными и настраиваемыми.
В зависимости от расположения молекул электроны могут образовывать изолированные «острова», которые действуют как квантовые биты для продвинутых вычислений, или расширенные металлические «моря», которые запускают сложные химические реакции.
Эта гибкость делает открытие настолько мощным. Одна конфигурация может помочь в создании квантовых компьютеров, машин, которые обещают решать задачи, невозможные для сегодняшних суперкомпьютеров. Другая может послужить основой для катализаторов нового поколения — материалов, которые ускоряют химические реакции таким образом, что это может изменить способы производства топлива, лекарств или промышленных продуктов.
«По мере того как наше общество раздвигает границы современных технологий, спрос на новые виды материалов стремительно растёт», — говорит доктор Марсело Курода, доцент кафедры физики в Оберне. «Наша работа показывает новый путь к материалам, которые предлагают возможности как для фундаментальных исследований взаимодействий в веществе, так и для практического применения».
Преодоление барьеров
Ранние версии электридов были нестабильны и сложны в масштабировании. Закрепив их непосредственно на твёрдых поверхностях, команда из Обернского университета преодолела эти барьеры, предложив семейство структур материалов, которые могут перейти от теоретических моделей к реальным устройствам.
«Это фундаментальная наука, но у неё есть вполне реальные последствия», — говорит доктор Константин Клюкин, доцент кафедры материаловедения в Оберне. «Мы говорим о технологиях, которые могут изменить способы наших вычислений и производства».
Теоретическое исследование проводилось преподавателями факультетов химии, физики и материаловедения в Обернском университете. «Это только начало», — добавляет Милиордос. «Изучая, как приручить свободные электроны, мы можем представить будущее с более быстрыми компьютерами, более умными машинами и новыми технологиями, о которых мы даже не мечтали».
Исследование «Electrides with Tunable Electron Delocalization for Applications in Quantum Computing and Catalysis» также было написано в соавторстве с аспирантами Андреем Евдокимовым и Валентиной Нестеровой.
Управление квантовой интерференцией
В исследовании, опубликованном в [Nature Communications](https://doi.org/10.1038/s41467-025-64022-9), исследовательская группа демонстрирует полный электрический контроль над квантовой интерференцией в отдельных атомных спинах на поверхности.
Квантовая интерференция возникает, когда система существует в суперпозиции состояний, а относительные фазы создают конструктивную или [деструктивную интерференцию](https://phys.org/tags/destructive+interference/). Примером является интерференция Ландау-Зенера-Штюкельберга-Майораны (LZSM), которая возникает, когда квантовая двухуровневая система многократно проходит через антипересечение на диаграмме энергетических уровней и претерпевает множественные неадиабатические переходы.
Этот механизм — мощный инструмент для быстрого и надёжного квантового управления, но добиться настраиваемой интерференции LZSM в атомной квантовой архитектуре, где несколько спинов могут быть точно собраны и управляемо связаны по требованию, — сложная задача.
Используя специально созданный передовой микроскоп, известный как электронно-спиновый резонансно-сканирующий туннельный микроскоп (ESR-STM), исследователи разработали полностью электрический метод управления квантовой интерференцией LZSM в отдельных и связанных атомных спинах на изолирующих плёнках.
Управляя атомно-концентрированными взаимодействиями наконечника и атома с помощью сильных электрических полей, они быстро переводили спиновые состояния через антипересечения и наблюдали богатые интерференционные картины, включая многофотонные резонансы и признаки спин-трансферного крутящего момента.
Многоуровневые спектры LZSM, измеренные на связанных спинах с настраиваемыми взаимодействиями, показали отчётливые интерференционные картины в зависимости от их многочастичных энергетических ландшафтов.
Эти результаты открывают новые возможности для полностью электрической квантовой манипуляции в спиновых квантовых процессорах в сильно управляемом режиме. Исследование открывает новые возможности для быстрой и надёжной манипуляции квантовыми состояниями на атомном уровне.
Исследование проводилось под руководством профессора Ян Кай из Института физики Китайской академии наук вместе с профессором Хоакином Фернандесом-Россером из Международной иберийской нанотехнологической лаборатории.