Физики создали плоский материал, который проводит электрический ток со скоростью света

Физики из Калифорнийского университета, Ирвайна и других стран создали новые двумерные материалы с прорывными электрическими и магнитными свойствами. Такие материалы могут быть строительными блоками для квантовых компьютеров и другой передовой электроники. В трех исследованиях, опубликованных в Nature, Science Advances и Nature Materials, исследователи из UCI и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса Брекли, Принстонский университет, университета Фудань и университета штата Мэрилэнд изучили поведение новых двумерных материалов.

Исследователи указали на то, что свои эксперименты они проводили при чрезвычайно низкой температуре и что носителями сигналов во всех трех исследованиях были не электроны, а фермионы Дирака или частицы Майорана. Это частицы без массы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света.

«Наконец, мы можем взять что-то экзотическое, применить высокотехнологичные теории в физике и сделать из этого что-то полезное», - сообщил адъюнкт-профессор UCI по физике и астрономии Цзин Ся, автор двух из исследований.

«Мы изучаем возможность создания топологических квантовых компьютеров (в настоящее время теоретических) в перспективе на 100 лет».

Одной из основных задач таких исследований является обработка и анализ образцов небольшого материала, толщиной всего в два атома и длиной в несколько микрон и несколько микрон в поперечнике. Лаборатория Ся в UCI оснащена оптоволоконным интерферометрическим микроскопом Sagnac, который там и был построен. (Единственный, который существует в Стэнфордском университете, собранный самим Ся, когда он был еще аспирантом). Ся называет его самым чувствительным магнитным микроскопом в мире. Ся сравнивает его с телескопом, с помощью которого орнитолог в Ирвине мог бы разглядеть глаз птицы, находящейся в Нью-Йорке.

«Эта машина — идеальный инструмент для подобных измерений», - рассказал ведущий автор UCI аспирант Алекс Штерн, автор также двух публикаций.

«Это самый точной способ на данный момент, для того чтобы измерить магнетизм материала».

В исследовании, которое было опубликовано еще 24 апреля в Nature, ученые подробно изложили свои наблюдения с помощью интерферометра Sagnac. Измерялся магнетизм микроскопической чешуйки теллурида хрома германия (CGT). Соединение, которое было создано, исследовалось при -387 градусах по Фаренгейту. CGT является двоюродным братом графена, супертонкой пленкой атомарного углерода. С момента своего открытия графен считался потенциальной заменой кремния в компьютерах нового поколения и других устройствах из-за скорости, с которой электронные сигналы скользят по его почти идеально ровной поверхности.

Но есть небольшая хитрость: некоторые компьютерные компоненты, такие как память и системы хранения памяти, должны быть сделаны из материалов, которые обладают как электронными, так и магнитными свойствами. Графен имеет первое, но не второе свойство. CGT имеет и то и другое. В лабораторных экспериментах также использовался интерферометр Sagnac для исследования, опубликованного в Science Advances, и выяснила, что происходит в тот момент, когда висмут и никель контактируют между собой (в данном случае температура была -452 градуса по Фаренгейту). Ся сообщил, что его команда обнаружила на границе раздела двух металлов «экзотический сверхпроводник, нарушающий симметрию обращения времени».

«Представьте, что вы обратили время вспять, и чашка красного чая станет зеленой. Не станет ли этот чай очень экзотичным? Это действительно экзотика для сверхпроводников», - сообщил Ся.

«И это впервые наблюдается в двумерных материалах».

Носителями сигналов в этом двумерном сверхпроводнике являются майорановские фермионы, которые могут быть использованы для операции связывания. По мнению теоретиков она жизненно важна для квантовых вычислений.

«Теперь проблема заключается в том, чтобы попытаться достичь этого при нормальной температуре», - рассказал Ся. Третье исследование показывает, как можно преодолеть это препятствие.

В 2012 году лаборатория Ся отправила в Агентство перспективных исследований оборонной промышленности радиочастотный генератор, построенный вокруг гексаборида самария. Само вещество — это изолятор внутри, но пропускающий сигнал из тока фермионов Дирака, который свободно течет по своей двумерной поверхности.

Используя специальное устройство, построенное также в лаборатории Ся, исследователи UCI примени «растягивающее» напряжение к образцу гексаборида самария и продемонстрировали свои результаты в Nature Materials, в которых сообщается о том, что они смогли стабилизировать двухмерное поверхностное состояние при -27 градусах по Фаренгейту.

«Верьте или нет, но это жарче чем в некоторых частях Канады», - пошутил Ся.

«Эта работа является большим шагом на пути развития будущих квантовых компьютеров при комнатной температуре».

Пояснения к изображениям:

На изображении 62_1 показаны физики из UCI, Цзин Ся — справа и аспирант Алекс Штерн — слева.

На изображении 62_2, Figure 1, показано распределение спинов в двух и трехмерной области. На области (а) проекции спинов для ферромагнетика в двумерной области и в (b) – трехмерной. На областях (с) — (е) показана магнонная плотность состояний для единичного спина относительно низкого уровня энергии для монослоя (c), многослойной области (d) и насыпи (чешуйки) (e) ферромагнетиков. Связь между 2D и 3D выражена в sqrt(E), E – энергия возбуждения.

На изображении 62_3, extended data Figure 1, показан образец насыпи и график распределения его магнетизации. Cr2Ge2Te6 — для данного кристалла. На области (а) показано изображение самого кристалла в см масштабе. На области (b) график магнетизации для перпендикулярной и параллельной проекций. На области (с) показано распределение магнитного момента в зависимости от значения температуры, резкий перепад находится между T*_C ? 66К, и T*_C ? 68К.

На изображении 62_4, extended data Figure 5 схематично показан принцип работы установки Sagnac. В основном настраиваются три режима работа, показанные в областях (а) — для температуры около 0.075К, (b) для изучения магнитного поля, (c) для построения модели гистерезиса. Во всех типах настройки образец находится на одном и том же месте. В первом случае сигнал проходя через оптическую систему линз исследуется с помощью эффекта Фарадея в конце своего пути. В области (b) этой катушки Фарадея нет. В области (c) используется сверхпроводящая ванна. Во всех трех типах камера с образцом находится в некотором вакуумном состоянии.

Источник: phys.org

Комментарии: