В США получили Q-кремний — новый магнитный материал для квантовых компьютеров и чипов на спинтронике

Научная группа из Университета штата Северная Каролина (NCSU) совершила прорыв, который может кардинально изменить будущее квантовых вычислений. Исследователи получили новую форму кремния — Q-кремний, обладающую уникальной способностью намагничиваться при комнатной температуре. Это открытие не просто добавляет новое свойство привычному полупроводнику, а создает мост между классической микроэлектроникой и спинтроникой, потенциально решая одну из ключевых проблем на пути к созданию коммерчески доступных квантовых компьютеров.

От аморфного состояния к ферромагнетику: как лазер меняет кремний

В основе технологии лежит метод лазерной закалки. Ученые воздействовали на аморфный кремний сверхкороткими, но чрезвычайно мощными наносекундными импульсами. В результате материал мгновенно плавился, а затем следовало быстрое охлаждение. Эта процедура, известная как «закаливание», радикально изменила кристаллическую структуру кремния, наделив его свойством ферромагнетизма. Ключевой результат эксперимента — материал демонстрирует устойчивую намагниченность без воздействия внешнего магнитного поля.

Спинтроника: замена электрического тока магнитным моментом

Открытие Q-кремния открывает путь к созданию гибридных чипов, где классические транзисторы будут соседствовать с элементами спинтроники. В отличие от традиционной электроники, оперирующей движением зарядов (электрическим током), спинтроника использует магнитный момент электрона — его спин. Такой подход обещает революцию в энергоэффективности: цепи на спинах практически не выделяют тепло, в то время как в современных процессорах тепловыделение становится главным ограничением для дальнейшей миниатюризации. Именно управление спином считается одним из самых перспективных путей для реализации кубитов — базовых вычислительных единиц квантового компьютера.

О своей работе исследователи сообщили в рецензируемом журнале Material Research Letters. Пока что Q-кремний существует исключительно в лабораторных условиях, и его практическая применимость в коммерческих устройствах остается под вопросом. Однако сам факт получения ферромагнитного кремния без легирования тяжелыми металлами — это серьезный шаг вперед.

Долгое время главным камнем преткновения для спинтроники была несовместимость материалов: ферромагнетики, необходимые для генерации спина, плохо интегрировались с кремниевой технологией. Поиск материала, который мог бы выполнять обе функции — быть и полупроводником, и источником спина — велся десятилетиями. Получение Q-кремния снимает это ограничение на фундаментальном уровне, позволяя теоретически создавать спиновые транзисторы на стандартной кремниевой подложке. Если технологию удастся масштабировать, это не только продлит жизнь «эпохе кремния», но и даст мощный импульс развитию квантовых процессоров, работающих при температурах, близких к комнатной, вместо экстремального охлаждения, используемого в современных квантовых системах.