Будущее вычислений кроется в удивительном мире квантовой физики, где правила сильно отличаются от тех, что управляют современными устройствами. Квантовые компьютеры обещают решить задачи, которые слишком сложны даже для самых быстрых суперкомпьютеров на кремниевых чипах. Чтобы воплотить эту идею в жизнь, учёные всего мира ищут новые квантовые материалы с необычными, почти потусторонними свойствами.
Одним из наиболее интригующих кандидатов является так называемая квантовая спиновая жидкость — состояние вещества, в котором спины электронов никогда не успокаиваются, даже при самых низких температурах во Вселенной. Однако до сих пор подготовка такого квантового состояния в лаборатории оказывалась чрезвычайно сложной задачей.
В совместном проекте с участием нескольких учреждений учёные из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) сообщают, что приблизились к решению этой задачи.
Как объяснил старший физик и руководитель группы Аргоннской лаборатории Дэниел Хаскел, в этих материалах не атомы остаются жидкими, как в обычной жидкости, а крошечные магнитные ориентации — или спины — электронов. Каждый спин стремится «ужиться» со своими соседями, выстраиваясь таким образом, чтобы всем было комфортно. Но когда спины сближаются под давлением, удовлетворить всех соседей становится невозможно.
В результате возникает своего рода магнитный тупик, называемый фрустрацией, когда спины больше не могут занять какое-либо фиксированное положение. В результате возникает непрерывный запутанный танец флуктуирующих спинов даже при охлаждении почти до абсолютного нуля.
«Достижение этого квантового спинового состояния стало бы важной вехой», — сказал Эдуардо Польди, аспирант Чикагского университета в Иллинойсе в группе профессора Рассела Хемли с совместной должностью в Аргоннской лаборатории. «Некоторые типы квантовых спиновых жидкостей могут служить новой платформой для кубитов — основных строительных блоков квантового компьютера».
В своём последнем эксперименте в Аргоннском источнике передовых фотонов (APS), исследовательском центре Министерства энергетики США, команда обратила внимание на кристаллический материал, который, как считается, может содержать ингредиенты для спиновой жидкости. Это оксид, содержащий натрий, кобальт и сурьму (NCSO).
Материал обладает особыми характеристиками: его атомы кобальта образуют сотовый узор, похожий на улей. Эта структура играет ключевую роль. Спины электронов имеют тенденцию выстраиваться перпендикулярно краям каждой ячейки в соте, но в точках, где встречаются три ребра, не все спины могут выровняться, чтобы удовлетворить своих соседей, создавая состояние фрустрации.
Теоретические модели предсказывают, что эта фрустрация может содержать квантовую спиновую жидкость с топологической защитой. В таком состоянии могут образовываться возбуждения, которые кодируют квантовую информацию, но при этом остаются устойчивыми к внешним воздействиям. Такая встроенная защита может помочь защитить хрупкие квантовые состояния — важный шаг на пути к стабильным квантовым технологиям.
В более ранних работах исследователи из Аргонны обнаружили, что экстремальное давление может служить регулятором для индуцирования квантового спинового поведения. Используя два плоских алмаза, они сжали электроны в магнитном кристалле, подавили обычный магнитный порядок материала и подтолкнули его к состоянию спиновой жидкости.
«Давление позволяет уменьшить расстояние между атомами и их электронами», — сказал физик APS Гильберто Фаббрис. «Регулируя это расстояние, мы можем привести магнитный кристалл в состояние фрустрации. При определённом экстремальном давлении магнетизм исчезает — и возникает спиновая жидкость».
Однако достижение этого состояния чрезвычайно сложно. Давление должно быть достаточно высоким, чтобы подавить магнитный порядок, но при этом не повредить внутреннюю симметрию кристалла. Используя специализированные алмазные наковальни в APS, исследователи смогли сжать NCSO до более чем 1 миллиона атмосфер — примерно в 1000 раз больше давления на дне океана — в области размером меньше ширины человеческого волоса.
Команда использовала три линии APS для анализа своего образца NCSO от комнатной температуры примерно до абсолютного нуля и от 1 до 1 миллиона атмосфер. В частности, они провели рентгеновскую дифракцию и эмиссионную спектроскопию на линиях 16-BM-D и 16-ID-D, чтобы разгадать атомную структуру и спины электронов NCSO в широком диапазоне температур и давлений. Они также использовали линию 4-ID-D для отслеживания изменения магнитных свойств.
Особенно важной, отметил Польди, была способность APS измерять спиновое состояние внутри атома и спиновые корреляции между атомами при экстремальном давлении. APS — единственный центр в Соединённых Штатах, где возможен такой эксперимент.
Результаты, опубликованные в Communications Physics, показывают, что NCSO демонстрирует явные признаки приближения к состоянию спиновой жидкости, хотя природа фрустрированного квантового состояния отличается от предсказанной теорией.
Это делает его перспективным материалом для будущих исследований — и, возможно, ступенью к другим материалам с сотовой структурой, которые обладают странными свойствами квантовых материалов. После недавней модернизации APS исследователи смогут исследовать материалы-кандидаты при давлении, в пять раз превышающем текущее.
«Квантовые спиновые жидкости с топологической защитой открывают захватывающий путь к созданию кубитов, которые естественным образом защищены от внешнего вмешательства», — сказал Хаскел. То, что начиналось как фундаментальный физический эксперимент, теперь может указать на новый путь к созданию более стабильных и отказоустойчивых квантовых технологий.
quantum spin liquid with topological protection. In such a state, excitations can form that encode quantum information yet remain resistant to outside disturbance. That built-in protection could help protect fragile quantum states—an essential step toward stable quantum technologies.»,»In earlier work, Argonne researchers found that extreme pressure can serve as a control knob to induce quantum spin behavior. Using two flat diamonds to squeeze the electrons together in a magnetic crystal, they suppressed a material’s usual magnetic order and nudged it toward a spin liquid state.»,»\»Pressure provides a way to reduce the separation between atoms and their electrons,\» said APS Physicist Gilberto Fabbris. \»By adjusting that distance, we can drive a magnetic crystal into a frustrated state. At a certain extreme pressure, magnetism disappears—and a spin liquid emerges.\»»,»Achieving that state, however, is extraordinarily difficult. The pressure must be high enough to suppress magnetic order yet applied in a way that does not damage the crystal’s internal symmetry. Using specialized diamond anvil cells at APS, the researchers were able to compress the NCSO to more than 1 million atmospheres—roughly 1,000 times the pressure at the bottom of the ocean—all within a region smaller than the width of a human hair.»,»The team used three APS beamlines to analyze their NCSO sample from room temperature down to around absolute zero and from 1 to 1 million atmospheres. In particular, they performed X-ray diffraction and emission spectroscopy at beamlines 16-BM-D and 16-ID-D to unravel the atomic structure and electron spins of the NCSO over a wide range of temperature and pressure. They also used beamline 4-ID-D to track the changing magnetic properties.»,»Especially important, Poldi noted, was the ability at APS to measure the spin state within an atom and the spin-spin correlations between atoms under extreme pressures. The APS is the only facility in the United States where such an experiment is possible.»,»The results, now published in Communications Physics, indicate that the NCSO shows clear signs of approaching a spin liquid state, although the nature of the frustrated quantum state differs from the one predicted by theory.»,»That makes it a promising material for future studies—and possibly, a stepping stone toward other honeycomb-structured materials that exhibit the strange properties of quantum materials. With the recent upgrade to the APS, researchers will be able to investigate candidate materials at five times higher pressures.»,»\»Quantum spin liquids with topological protection provide an exciting path toward building qubits that are naturally shielded from outside interference,\» Haskel said. What began as a fundamental physics experiment may now point toward a new route for building more stable and fault-tolerant quantum technologies.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tArgonne National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник