Квантовый зверинец пополняется: 12 новых квантовых состояний открывают путь к стабильным компьютерам

Представьте себе зоопарк, но вместо львов, тигров и медведей (о боже!) его вольеры населяют… квантовые состояния. Звучит странно? Добро пожаловать в мир квантовой физики, где реальность часто превосходит самую смелую фантазию. Ученые уже давно говорят о таком «квантовом зоопарке» — огромном, почти бесконечном множестве способов, которыми могут вести себя электроны в материалах, порождая удивительные и порой не поддающиеся интуиции явления. Многие из этих «видов» долгие годы существовали лишь на кончике пера теоретиков. Но недавнее открытие, опубликованное в престижном журнале Nature, добавило в этот зверинец сразу дюжину новых, ранее невиданных обитателей.

Почему это важно? Заглянем в будущее вычислений

Что ж, открытие новых фундаментальных состояний материи — это всегда интересно. Но здесь есть и вполне конкретный практический прицел: некоторые из этих новичков могут стать ключом к созданию топологических квантовых компьютеров. О них говорят уже давно, и главная их прелесть — теоретическая устойчивость к ошибкам. Современные квантовые компьютеры, построенные на сверхпроводниках, очень капризны и чувствительны к малейшим помехам. Топологические же обещают быть куда надежнее благодаря своим уникальным квантовым свойствам.

Загвоздка была вот в чем: для создания необходимых топологических состояний до сих пор пытались использовать сильные внешние магнитные поля. А магниты, как назло, губительны для сверхпроводников, из которых строят нынешние квантовые чипы. Получался замкнутый круг. И вот тут-то на сцену выходит команда под руководством Сяояна Чжу из Колумбийского университета. Их открытие обходит эту проблему! Новые состояния возникают в особом материале — скрученном дителлуриде молибдена (MoTe₂) — и не требуют никакого внешнего магнита. Как это возможно? Давайте разбираться.

Эхо прошлого: Эффект Холла и дробные заряды

Чтобы понять, откуда «ноги растут» у этих новых состояний, нужно немного вернуться назад, к классике физики. Еще в 1879 году был открыт эффект Холла: если через металлическую пластинку пропустить ток и поместить ее в магнитное поле, электроны начнут отклоняться к одному краю, создавая разность потенциалов. Чем сильнее магнит, тем больше напряжение.

Всё становится гораздо интереснее, когда мы переходим в квантовый мир — к сверхнизким температурам и двумерным материалам (тончайшим пленкам толщиной в пару атомов). Здесь классическая физика уступает место квантовой механике. Напряжение Холла перестает плавно расти с увеличением магнитного поля, а меняется скачками, «квантуется». Величина этих скачков связана с фундаментальной константой — зарядом электрона.

Но и это не предел! В 1980-х годах Хорст Штёрмер (будущий нобелевский лауреат) и его коллеги обнаружили дробный квантовый эффект Холла. Оказалось, что в сильных магнитных полях и при очень низких температурах электроны в двумерных системах могут вести себя так, словно они разделились на части с дробным зарядом: 1/2, ⅓, ⅔ от заряда электрона! Конечно, сам электрон неделим, но коллективное поведение множества электронов порождает эти удивительные «квазичастицы». Это настолько контринтуитивно, что сам Штёрмер в своей Нобелевской лекции отмечал: «Так не должно быть… Но мы точно знаем, что ни один электрон не разделился».

Магия скручивания: Рождение муаровых узоров

И вот мы подходим к самому интересному. Как же удалось получить эти дробные состояния без внешнего магнита? Секрет кроется в самом материале и хитрости его приготовления. Ученые работали с так называемыми муаровыми материалами. Представьте, что вы взяли два очень тонких слоя атомарной сетки (в данном случае дителлурида молибдена) и положили их друг на друга, но не идеально ровно, а слегка повернув один относительно другого. Возникает красивый периодический узор, похожий на тот, что мы видим, когда смотрим сквозь две мелкоячеистые сетки или тюлевые занавески. Это и есть муаровый узор.

Но дело не только в красоте. Такое «скручивание» кардинально меняет электронные свойства материала. В скрученном MoTe₂ возникает то, что физики называют топологическим состоянием. Это особое устройство электронных уровней, которое «поощряет» электроны вести себя коллективно, образуя те самые состояния дробного квантового эффекта Холла. А самое главное — само скручивание порождает внутреннее эффективное магнитное поле! Материал сам себе создает условия, для которых раньше требовался громоздкий и мешающий внешний магнит. Именно это позволило еще в 2023 году команде Сяодуна Сюя (коллеги Чжу) впервые наблюдать аномальный (безмагнитный) дробный квантовый эффект Холла в этом же материале.

Увидеть невидимое: Сила лазерного зондирования

Обнаружить два-три таких состояния было уже большим прорывом. Но как команда Чжу нашла целую дюжину? Здесь ключевую роль сыграла передовая экспериментальная техника — спектроскопия «накачка-зонд», усовершенствованная Эриком Арсено.

Суть метода, если упрощать, такова: сначала мощный, но очень короткий лазерный импульс («накачка») как бы «встряхивает» систему, временно «расплавляя» квантовые состояния в материале. Сразу после этого другой, более слабый импульс («зонд») измеряет, как быстро и каким образом система возвращается в исходное состояние, регистрируя тончайшие изменения ее оптических свойств (в данном случае, диэлектрической проницаемости).

Благодаря чрезвычайно коротким лазерным импульсам этот метод обладает невероятной чувствительностью и позволяет различить множество близких по энергии дробных состояний, которые другими способами просто слились бы в один сигнал. «Это открытие также утверждает спектроскопию «накачка-зонд» как самую чувствительную на сегодняшний день методику обнаружения квантовых состояний материи», — отмечает Чжу. Ипин Ван, первая автор исследования, добавляет интриги: «Кажется, мы вошли в новое измерение — время — для исследования… Они не перестают нас удивлять».

Что дальше? Неизведанные территории квантового мира

Итак, ученые открыли целый выводок новых квантовых состояний в одном материале. Среди них, предположительно, есть и те самые неабелевы энионы — экзотические квазичастицы, которые считаются ключевым ингредиентом для построения отказоустойчивых топологических квантовых компьютеров.

Но пока это только начало пути. Теперь главный вопрос: что именно представляют собой все эти новые состояния? Каковы их точные свойства? И как их можно использовать на практике? «Их так много. Мы надеемся, что эти результаты и наша методика вдохновят других на исследования», — говорит Чжу.

Это открытие — яркое напоминание о том, как мало мы все еще знаем о странном и удивительном квантовом мире, скрытом в глубинах материи. Квантовый зоопарк оказался гораздо богаче и разнообразнее, чем мы думали. И кто знает, какие еще диковинные «звери» ждут своего часа, чтобы быть обнаруженными в этом бесконечном мире возможностей? Похоже, самое интересное только начинается.