Ученые объединили два «невозможных» материала в новую искусственную структуру

Новости сегодня - Ученые объединили два «невозможных» материала в новую искусственную структуру

Международная группа под руководством исследователей из Ратгерского университета в Нью-Брансуике объединила два синтезированных в лабораторных условиях материала в синтетическую квантовую структуру, существование которой ранее считалось невозможным, и создала экзотическую структуру, которая, как ожидается, предоставит идеи, которые могут привести к созданию новых материалов, лежащих в основе квантовых вычислений.

Работа, описанная в заглавной статье журнала Nano Letters, объясняет, как четыре года непрерывных экспериментов привели к созданию нового метода проектирования и создания уникального крошечного сэндвича, состоящего из отдельных атомных слоев.

Один срез микроскопической структуры изготовлен из титаната диспрозия — неорганического соединения, используемого в ядерных реакторах для улавливания радиоактивных материалов и сдерживания неуловимых магнитных монопольных частиц, а другой — из пирохлориридата — нового магнитного полуметалла, который в основном используется в современных экспериментальных исследованиях благодаря своим отличительным электронным, топологическим и магнитным свойствам.

По отдельности оба материала часто считаются «невозможными» материалами из-за их уникальных свойств, которые бросают вызов традиционному пониманию квантовой физики.

Создание экзотической сэндвич-структуры подготавливает почву для научных исследований в так называемой области интерфейса — области, где материалы встречаются в атомном масштабе.

«Эта работа открывает новый способ создания совершенно новых искусственных двумерных квантовых материалов, которые потенциально могут продвинуть квантовые технологии и обеспечить более глубокое понимание их фундаментальных свойств способами, которые ранее были невозможны», — сказал Джек Чахалян, профессор экспериментальной физики на кафедре физики и астрономии в Школе искусств и наук Ратгерского университета и главный исследователь исследования.

Чахалян и его команда исследуют область, которая следует законам квантовой теории, раздела физики, описывающего поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровне. Центральное место в квантовой механике занимает концепция корпускулярно-волнового дуализма, где квантовые объекты могут обладать как волновыми, так и корпускулярными свойствами — основополагающий принцип, лежащий в основе таких технологий, как лазеры, магнитно-резонансная томография (МРТ) и транзисторы.

Чахалян высоко оценил усилия трех студентов Ратгерса, которые внесли большой вклад в исследование: Майкла Терилли и Цунг-Чи Ву, оба аспиранты, и Дороти Доути, которая окончила вуз в 2024 году и работала над исследованием в качестве бакалавра. Кроме того, Михаил Кареев, который является материаловедом, работающим с Чахаляном, внес основной вклад в новый метод синтеза, а также Фангди Вэнь, аспирант, недавно окончивший кафедру физики и астрономии.

Чахалян отметил, что создание уникального квантового сэндвича было настолько сложным с технической точки зрения, что команде пришлось построить новое устройство, чтобы осуществить этот подвиг.

Инструмент под названием Q-DiP, сокращенно от Quantum Feminism Discovery Platform, был завершен в 2023 году. Q-DiP включает инфракрасный лазерный нагреватель с другим лазером, что позволяет создавать материалы на атомном уровне, слой за слоем. Такое сочетание позволяет ученым исследовать самые сложные квантовые свойства материалов вплоть до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю.

«Насколько нам известно, этот зонд уникален для США и представляет собой прорыв в области инструментальных исследований», — сказал Чахалян.

Половина экспериментального сэндвича, которая является титанатом диспрозия, также известным как спиновый лед , обладает особыми качествами. 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 им проявляться как особые частицы, называемые магнитными монополями.

Магнитный монополь — это частица, которая действует как магнит, но только с одним полюсом — либо северным, либо южным, но не обоими. Этот объект, предсказанный в 1931 году лауреатом Нобелевской премии Полем Дираком, не существует в свободной форме во Вселенной, и тем не менее внутри спинового льда он возникает в результате квантово-механических взаимодействий внутри материала.

С другой стороны сэндвича, полуметаллический пирохлориридат также считается экзотическим, поскольку содержит крошечные релятивистские частицы, называемые фермионами Вейля. Опять же, удивительно, что хотя эти экзотические частицы были предсказаны Германом Вейлем в 1929 году, они были обнаружены в 2015 году в кристаллах и движутся подобно свету, и могут вращаться по-разному — левосторонне или правосторонне.

Их электронные свойства очень сильны и противостоят определенным типам помех или примесей, что делает их очень стабильными при работе в качестве части электронных устройств. В результате пирохлориридат может очень хорошо проводить электричество, реагировать необычным образом на магнитные поля и демонстрировать особые эффекты при воздействии электромагнитных полей.

Чахалян отметил, что совокупность свойств нового созданного материала делает его перспективным кандидатом для использования в передовых технологиях, включая квантовые вычисления, и особенно в квантовых датчиках следующего поколения.

«Это исследование является большим шагом вперед в синтезе материалов и может существенно повлиять на то, как мы создаем квантовые датчики и развиваем спинтронные устройства», — сказал он.

Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для обработки информации. Квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты, которые существуют в нескольких состояниях одновременно из-за квантового физического принципа, называемого суперпозицией. Это позволяет выполнять сложные вычисления гораздо эффективнее, чем классические компьютеры.

Особые электронные и магнитные свойства материала, разработанного исследователями, могут помочь в создании весьма необычных и в то же время стабильных квантовых состояний, которые необходимы для квантовых вычислений.

Когда квантовая технология станет практичной, она существенно повлияет на повседневную жизнь, произведя революцию в разработке лекарств и медицинских исследованиях, заметно улучшив операции, предсказуемость и экономию средств в финансах, логистике и производстве. Также ожидается, что она произведет революцию в алгоритмах машинного обучения, сделав системы искусственного интеллекта более мощными, заявили ученые.

Новости партнеров: