|
Редкий металл станет переключателем для квантовых устройств
|
|
|
|
Квантовые ученые обнаружили редкое явление, которое может стать ключом к созданию «идеального переключателя» в квантовых устройствах, который переключается между изолятором и сверхпроводником. Исследование, проведенное Бристольским университетом и опубликованное в журнале Science, показало, что эти два противоположных электронных состояния существуют в пурпурной бронзе, уникальном одномерном металле, состоящем из отдельных проводящих цепочек атомов. Например, крошечные изменения в материале, вызванные небольшим стимулом, таким как тепло или свет, могут вызвать мгновенный переход из изолирующего состояния с нулевой проводимостью в сверхпроводник с неограниченной проводимостью, и наоборот. Эта поляризованная универсальность, известная как «эмерджентная симметрия», потенциально может стать идеальным переключателем включения/выключения в будущих разработках квантовых технологий. Ведущий автор Найджел Хасси, профессор физики Бристольского университета, сказал: «Это действительно захватывающее открытие, которое может стать идеальным переключателем для квантовых устройств завтрашнего дня».
|
|
|
|
«Это замечательное путешествие началось 13 лет назад в моей лаборатории, когда два аспиранта, Сяофэн Сюй и Ник Уэйкхэм, измерили магнитосопротивление — изменение сопротивления, вызванное магнитным полем — фиолетовой бронзы». В отсутствие магнитного поля сопротивление пурпурной бронзы сильно зависело от направления подведения электрического тока. Ее температурная зависимость также была весьма сложной. При комнатной температуре сопротивление становится металлическим, но при понижении температуры ситуация меняется на противоположную, и материал превращается в изолятор. Затем, при самых низких температурах, сопротивление снова резко падает, поскольку он переходит в сверхпроводник. Несмотря на эту сложность, к удивлению, магнитосопротивление оказалось чрезвычайно простым. По сути, это было одинаково, независимо от направления тока или поля, и следовало идеальной линейной температурной зависимости на всем пути от комнатной температуры до температуры сверхпроводящего перехода. «Не найдя внятного объяснения такому загадочному поведению, данные лежали бездействующими и публиковались неопубликованными в течение следующих семи лет. Подобный перерыв необычен для квантовых исследований, хотя причиной его не было отсутствие статистики», — объяснил профессор Хасси.
|
|
|
«Такая простота магнитного отклика неизменно противоречит сложному происхождению, и, как оказывается, его возможное разрешение может произойти только в результате случайного столкновения». В 2017 году профессор Хасси работал в Университете Радбауд и увидел рекламу семинара физика доктора Петра Чудзинского на тему пурпурной бронзы. В то время немногие исследователи посвящали целый семинар этому малоизвестному материалу, поэтому его интерес был горяч. Профессор Хасси сказал: «На семинаре Чудзински предположил, что резистивный подъем может быть вызван интерференцией между электронами проводимости и неуловимыми составными частицами, известными как темные экситоны. После семинара мы поговорили и вместе предложили эксперимент для проверки его теории. измерения по существу подтвердили это». Воодушевленный этим успехом, профессор Хасси воскресил данные Сюя и Уэйкхема по магнитосопротивлению и показал их доктору Чудзински. Две основные особенности данных — линейность с температурой и независимость ориентации тока и поля — заинтриговали Чудзинского, равно как и тот факт, что сам материал мог проявлять как изолирующие, так и сверхпроводящие свойства в зависимости от того, как материал был выращен.
|
|
|
|
Доктор Чудзински задавался вопросом, может ли взаимодействие между носителями заряда и введенными им ранее экситонами вместо полного превращения в изолятор привести к тому, что первые будут тяготеть к границе между изолирующим и сверхпроводящим состояниями при понижении температуры. На самой границе вероятность того, что система является изолятором или сверхпроводником, по существу одинакова. Профессор Хасси сказал: «Такая физическая симметрия является необычным явлением, и развитие такой симметрии в металле при понижении температуры (следовательно, термин «возникающая симметрия») было бы первым в мире». Физики хорошо знакомы с явлением нарушения симметрии: понижением симметрии электронной системы при охлаждении. Сложное расположение молекул воды в кристалле льда является примером такой нарушенной симметрии. Но обратное явление — чрезвычайно редкое, если не уникальное. Возвращаясь к аналогии воды и льда, можно сказать, что при дальнейшем охлаждении льда сложность кристаллов льда снова «тает» во что-то столь же симметричное и гладкое, как капля воды.
|
|
|
|
Доктор Чудзински, ныне научный сотрудник Королевского университета в Белфасте, сказал: «Представьте себе магический трюк, в котором тусклая, искаженная фигура превращается в красивую, идеально симметричную сферу. В двух словах, это суть возникающей симметрии. Фигура речь идет о нашем материале, пурпурной бронзе, а наш волшебник — сама природа». Для дальнейшей проверки того, верна ли теория, другой доктор философии исследовал еще 100 отдельных кристаллов, некоторые из которых были изолирующими, а другие сверхпроводящими. студент Маартен Бербен, работающий в Университете Радбауд. Профессор Хасси добавил: «После геркулесовых усилий Маартена история была завершена, и стала очевидна причина, по которой разные кристаллы демонстрируют такие совершенно разные основные состояния. стимулы вызывают глубокие, на несколько порядков изменения в сопротивлении переключателя».
|
|
|
|
Источник
|
