Физики объединили два «неестественных» материала в «невозможную» структуру

Международная команда исследователей под руководством специалистов Университета Ратгерса в Нью-Брансуике (США) объединила два искусственно созданных материала в экзотическую квантовую структуру, которую ранее считали невозможной. Открытие может помочь в создании новых материалов, лежащих в основе квантовых вычислений. Исследование, представленное в журнале Nano Letters, демонстрирует, как четыре года экспериментов привели к разработке уникального «сэндвича» из атомных слоев.

Одна часть этой структуры состоит из диспрозия титана — неорганического соединения, используемого в ядерных реакторах для улавливания радиоактивных материалов и магнитных монополей (особенных частиц, которые функционируют как однополюсные магниты). Другая часть представлена пирохлор иридатом — новым магнитным полуметаллом с уникальными электронными и топологическими характеристиками.

Оба материала сами по себе часто считаются «невозможными» из-за их свойств, бросающих вызов традиционным нормам квантовой физики. Создание «сэндвича» открывает новый путь для изучения этих двух материалов на атомном уровне.

«Работа открывает новые горизонты для проектирования искусственных квантовых материалов толщиной в 1-2 атома, которые могут продвинуть квантовые технологии, сенсоры следующего поколения и углубить наше понимание ранее недоступных фундаментальных свойств», — говорит Джек Чахалян, профессор экспериментальной физики Университета Ратгерса и один из ведущих исследователей исследования.

Специальный прибор, разработанный для создания «сендвича», Q-DiP использует инфракрасный лазерный нагреватель и позволяет создавать материалы на атомном уровне, слой за слоем. Это позволяет исследовать сложные квантовые свойства материалов при ультрахолодных температурах, близких к абсолютному нулю.

Половина «сендвича», состоящая из диспрозия титана (спиновый лед), обладает особыми свойствами. Крошечные магниты внутри, называемые спинами, расположены таким образом, что выглядят точно так же, как структура водяного льда. Уникальная структура крошечных магнитов в спиновом льду позволяет возникать магнитным монополям, частицам, которые существуют с одним полюсом — «плюсом» или «минусом». Эти частицы не встречаются в свободном виде во Вселенной и возникают в результате квантовомеханических взаимодействий в лаборатории.

Пирохлор иридат также необычен, так как содержит релятивистские частицы — фермионы Вейля, движущиеся как свет. Они могут вращаться по-разному — влево или вправо. Их электронные свойства очень сильны и противостоят определенным типам помех, что делает их очень стабильными в качестве частей электронных устройств. В результате пирохлор иридат может очень хорошо проводить электричество, реагировать необычным образом на магнитные поля и демонстрировать особые эффекты при воздействии электромагнитных полей.

Особые электронные и магнитные свойства материала могут помочь в создании весьма необычных и в то же время стабильных квантовых состояний, которые необходимы для квантовых вычислений. Когда квантовые технологии дорастут до практического применения, они кардинально изменят повседневную жизнь, революционизируя медицинские исследования и открытие лекарств, оптимизируя операции в финансовом секторе и логистике, улучшая машинное обучение и делая искусственный интеллект более мощным.