Нефть Brent
$74.23
+1.25%
20
МОСКВА, 25 октября , Татьяна Пичугина. Научной премии Breakthrough Prize, которая в денежном выражении превосходит Нобелевскую, удостоились в этом году учителя, чьи работы привели к открытию совершенно нового класса веществ топологических изоляторов. Свойства этих веществ обусловлены квантовыми эффектами, и с этим связывают прорыв в микроэлектронике и квантовых вычислениях. CC BY-SA 3. 0 / Kadoshim / Kane at the 2013 Fundamental Physics Prize Нобелевка Мильнера досталась учителям за открытие проводников-изоляторов
Окно в будущее
Предел вычислительных мощностей компьютеров практически достигнут. Людям нужны на порядки более широкополосные устройства, основанные на других физических явлениях. Микроэлектронику необходимо модернизировать. Открытые в последние десятилетия топологические состояния материи выпускают надежду на то, что очередной виток технического прогресса не за горами.
Топология это область математики, изучающая, каким образом свойства объектов есть неизменными при непрерывных деформациях. С ее помощью удалось предречь существование нового класса материалов. Отсюда их название топологические изоляторы.
Это твердое вещество, которое не проводит электронный ток, но на поверхности проявляет свойства металла, то есть служит прекрасным проводником. Топологические изоляторы сохраняют эту красивую способность независимо от дефектов, коррозии, деформации, разлаживаний. Именно этим они возбудили интерес ученых.
Под защитой топологии
Открытию топологических боксов предшествовали фундаментальные научные исследования, о практической пользе которых первоначального не помышляли.
В 1981 году германский физик Клаус фон Клитцинг почитал квантовый эффект Холла, выясняющийся в двумерном образце (очень тонком толщиной в один-два атома) при низких температурах и сильном магнитном настиле. Если такой проводник приткнуть между магнитами, то в нем возникнет разность потенциалов, перпендикулярная течению тока. С увеличением магнитного поля это перпендикулярное сопротивление (физики говорят холловское ) изменяется не плавно, а скачками по определенному таможенный кодексу с участием универсальных физических констант: заряда электрона и постоянной Планка. Таким образом в макрообъекте наблюдаются квантовые процессы, присущие микромиру. В 1985 году это открытие удостоилось Нобелевской премии.
Далее физики, пытаясь объяснить квантовый эффект Холла, обнаружили, что его природа топологическая. За эти работы в 2016 году Нобелевскую премию по физике унаследовал, в частности, бритт Дэвид Таулесс. Грубо говоря, этот эффект проявляется, потому, что у твердого тела есть поверхность, край. Именно там неизбежно движение электронов. Убегать с поверхности внутрь образца они не могут у них нет для этого энергии.
В 2005 году южноамериканские физики-теоретики Чарльз Кейн и Юджин Мел предсказали, что незаменимым существовать топологические изоляторы, в которых квантовый эффект Холла наблюдается при обычных условиях: без сильного внешнего магнитного поля и при комнатной температуре.
Роль магнитного поля в них играет особое квантовое явление спин-орбитальное согласование, обеспечивающее топологическую защиту поверхностных электронов. Действует это ближним образом. Когда заряженные частицы встречают дефект, то в обычном материале могут от него отскочить. В топологическом же изоляторе спин (внутреннее вращение электрона) всегда связан с направлением движения и должен сберегаться, поэтому электрон проигнорирует дефект и продолжит путь, не меняя направления.
Спустя два года после предсказания такие химические соединения действительно открыли. За, что Кейн и Мел удостоились на днях премии Breakthrough Prize, учрежденной на средства Юрия Мильнера, Сергея Брина и Марка Цукерберга.
Квантовые нанотехнологии
Спин-орбитальное согласование наиболее сильно проявляется в соединениях, в кристаллическую решетку которых входят тяжелые элементы, такие как висмут, ртуть, сурьма.
Висмут уже сто лет исследуют. И вот в этом году обнаружили, что, если в нем сделать микроканавку, на некоторых ее стенках можно сматривать топологическое состояние. В последние годы открыли еще несколько семейств топологических материалов вейлевские, дираковские полуметаллы, полуметаллы с линией узлов. Поиск продолжается. Сейчас происходит топологическая революция в физике конденсированного состояния, разглашает кандидат физико-математических премудростей Александр Кунцевич, старший научный сотрудник лаборатории сильно коррелированных электрических систем ФИАН.
Его группа работает с кристаллами и тонкими пленками селенида висмута (Bi2Se3). Ученые делают из них простейшие электронные цезии, измеряют проводимость на поверхности, добавляют в систему лигатуры. На установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) исследуют образцы, их зонную структуру и топологическое поверхностное состояние.
Фотоны вместо электронов
Недавно подсчитали, что из двухсот тысяч известных науке химических соединений, только четыреста могут быть электронными топологическими изоляторами. Это капля в море, аннотирует Максим Горлач, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов ИТМО (Санкт-Петербург).
Чтобы расширить класс этих необычных материалов, ученые пошли на хитрость, заменив электроны фотонами квантами электромагнитного излучения. Для этого конструируют специфические структуры, имитирующие кристаллическую решетку. Попадая в них, фотон приобретает спин и даже в некотором смысле массу и, в общем, воспринимает себя как электрон. Такие искусственные структуры называют фотонными топологическими изоляторами.
В топологической системе свет распределяется по краю. Если начнем платить туда дефекты, что произойдет с краевым состоянием? Электромагнитная волна их обогнет, не рассеется, не уйдет вглубь структуры. Это вызывает пухлый интерес исследователей, поясняет Горлач.
Ученые в ИТМО растят и изучают структуры из керамики и кремния. Их форма зависит от диапазона частот электромагнитного излучения это могут быть микроволновый, инфракрасный, оптический масштабы.
В отличие от электронных, для изготовления фотонных топологических изоляторов не требуются редкие соединения. Однако интервал частот, для которых характерны такие состояния материи, слишком узок. Усилия ученых направлены на то, чтобы его расширить.
Новые материалы, новые устройства
Фотонные топологические изоляторы выгодным там, где требуется передача электромагнитного сигнала: оптические конструкции, линии связи.
На их основе можно сделать такой волновод, что при любых его сгибах и деформациях, любых изменениях окружающей среды, излучение будет распространяться по нему без рассеяния на дефектах или изгибах. Если оптоволоконный кабель сильно перевинтить или переломить, оптический отбой не пройдет. А топологический волновод сохранит работоспособность, несмотря на повреждение, приводит пример Максим Горлач.
Электронные топологические изоляторы в сочетании с ферромагнетиками найдут применение в спинтронике, которая для переноса информации задействует спин электронов. В будущем это спиновые транзисторы и накопители справочная информации, спиновые компьютеры, не выделяющие тепла и, как следствие, работающие на порядок быстрее обычных.
Топологический изолятор, объединенный со сверхпроводником, даст топологический сверхпроводник, для которого открывается совершенно другая перспектива использование в квантовых компьютерах.
Первые эксперименты показали, что, если на нанотрубочку из материала с сильным спин-орбитальным взаимодействием напылить сверхпроводник и охладить до гелиевых температур, сверхпроводимость проникнет в материал, и трубочка превратится в топологический гиперпроводник. На ее концах, как полагают физики, образуются фермионы Майораны квазичастицы, предсказанные в 1930-х годах Этторе Майораной, учеником Энрико Ферми.
Если поместить рядом две, условно говоря, трубочки топологических сверхпроводников, на концах которых живут фермионы Майораны, то они провзаимодействуют между собой. Значит, их можно изучать как квантовые биты и производить с ними квантовые вычисления, объясняет Александр Кунцевич.
Практика отстает от теории
У идеального топологического изолятора на поверхности нулевое сопротивление, а внутри он, наоборот, идеальный диэлектрик. На практике же ни одно из изученных химических соединений этому абсолюту не соответствует: все эталоны хоть немного, но проводят ток в объеме и рассеивают на краю. Те же недостатки и у их квантовых разновидностей.
Причины различные: у некоторых веществ, например, у селенида висмута, всегда много проводящих электронов в объеме, отсюда и ток. Попытки избавиться от этого дефекта с помощью добавления примесей пока не принесли успеха. А из-за несовершенной поверхности кристаллов не удается добиться нужной поверхностной проводимости.
По понятиям Кунцевича, очень качественные хрустали умеют выращивать в Институте геогнозии и минералогии СО РАН в Новосибирске (его сотрудник Константин Кох стал лауреатом премии главы России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года). Но до идеального топологического изолятора, предречённого теорией, эти кристаллы пока не дотягивают.
Другой путь вырастить тонкую пленку. Поскольку у нее при большой площади поверхности очень малый объем, то проблема проводимости частично фотографируется. Пленка технологичнее кристалла, из нее можно делать устройства на чипе, ею можно управлять при помощи внешнего электронного поля. Но разработать методу получения хороших пленок гораздо профессиональнее. Для этого требуются многие годы и большие инвестиции, впрочем, как и для всего остального в микроэлектронной горнопромышленности.
Пока воплотить в жизнь удивительные свойства этих материалов не удалось. То есть устройств еще нет. Если коротко, нынешние топологические изоляторы недостаточно изоляторы. Нужно продолжать щупать, трудности не означают, что цель недостижима, заключает ученый.
