оксид алюминия

Дорогу не строят, снося соседние дома: сначала укладывают асфальт, а потом лишнее стачивают, оставляя ровное полотно. Примерно так же поступили физики из Гейдельберга, когда взялись за производство джозефсоновских контактов — крошечных сэндвичей из сверхпроводника и изолятора, через которые ток течёт без сопротивления.

Стопка страниц, которую листали много раз, запоминает это: одни листы ложатся ровно, другие топорщатся, а кое-где остаются заломы. Примерно так ведут себя слоистые материалы, когда в них входят ионы. В новой работе учёные наблюдали за отдельными чешуйками MXene — двумерного карбида титана — и увидели, как история циклов зарядки и разрядки меняет их структуру.

Камера снимает не гонку, а танец атомов. В диоксиде ванадия переход из изолирующего состояния в металлическое происходит за триллионные доли секунды, но до сих пор никто не видел, как именно движутся атомы ванадия и кислорода. Теперь сверхбыстрая электронная дифракция сняла этот маршрут кадр за кадром.

Прозрачная плёнка оксида висмута-вольфрама лежит на подложке и не проводит ток. Три минуты в облаке азотной плазмы, и она чернеет, а сопротивление падает в миллиард раз. Секрет не в новых атомах, а в перестановке старых: пустые места, где раньше сидел кислород, выстраиваются в ровные ряды, как солдаты по команде. Эта шеренга пустот становится дорогой для электронов.

Переводчик в зале суда должен передавать каждое слово, не отвлекаясь на шум в зале. В квантовом мире роль такого переводчика играет сверхпроводящий резонатор, который должен терять фотоны строго по расписанию, не сбиваясь на посторонние эффекты.

Сверхпроводящий квантовый интерферометр — это прибор, чувствующий магнитное поле в миллиарды раз слабее, чем стрелка обычного компаса. Внутри него есть узкий мостик, где сверхпроводимость на мгновение прерывается. Этот мостик работает как турникет для магнитного потока: считая, сколько квантов потока прошло, прибор измеряет поле.

Сверхпроводящие кубиты — бьющееся сердце квантовых компьютеров, но их ритм сбивает декогеренция: квантовость растворяется в шуме. Традиционные архитектуры либо теряют точность управления, либо полагаются на магнитные поля — а те, как незваные дирижёры, вносят перекрёстные помехи.

Чем тоньше сегнетоэлектрическая плёнка, тем сильнее деполяризующее поле — диктат классической физики. Представьте карандаш, балансирующий на кончике пальца: чем короче, тем труднее удержать вертикально. Так и нанометровая поляризация норовит исчезнуть.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию, не сбиваясь. В роли музыкантов выступают кубиты — носители квантовой информации. Чтобы оркестр звучал слаженно, нужны надёжные, управляемые и не слишком чувствительные к помехам кубиты.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Электроны в обычном проводнике ведут себя как хаотичная толпа: сталкиваясь друг с другом и с дефектами решётки, они теряют энергию, что проявляется как электрическое сопротивление. В сверхпроводнике же электроны движутся согласованно, словно пары в слаженном танце, не задевая друг друга.

Мостик из алюминия толщиной в несколько атомов — сердце многих квантовых приборов. Через такой мостик ток течёт без сопротивления, и им можно управлять магнитным полем. Такие мостики называют джозефсоновскими контактами — по имени британского физика, который описал их поведение. Обычно их делают с помощью электронного луча, но это дорого и медленно.

Квантовые частицы способны проходить сквозь препятствия, словно мяч, внезапно оказывающийся внутри холма и вылетающий с другой стороны. Этот туннельный эффект — прямое следствие волновой природы материи — объяснил Георгий Гамов, разгадывая механизм альфа-распада: как частицы покидают атомное ядро, преодолевая потенциальный барьер.

Оптический пинцет — это луч лазера, который удерживает атом в одной точке, как пальцы держат горошину. Из таких пинцетов собирают целые решётки атомов — основу будущих квантовых компьютеров. Но есть проблема: не в каждый пинцет попадает атом. Обычно заполняется лишь половина ловушек, а для молекул — и того меньше. Пустые места ломают всю конструкцию.

Мемристор — это резистор с памятью: после выключения тока он сохраняет своё сопротивление. Внутри него тонкая плёнка оксида металла зажата между двумя металлическими электродами. Когда через устройство впервые пропускают сильный ток, в оксиде образуются проводящие нити из кислородных пустот, и сопротивление резко падает.

Два сверхпроводящих берега соединяет мост из магнитного материала. Внутри моста — доменная стенка: узкая граница, где намагниченность разворачивается, как строй солдат, меняющий направление шага. Ток, текущий через такой мост, ведёт себя не как спокойная река, а как поток, огибающий препятствие: он закручивается в петли и меняет силу.

Квантовый чип похож на слоёный пирог: сверхпроводящий металл, тонкий слой изолятора, снова металл. Раньше слои наносили через полимерную маску — как трафарет для краски. Полимер оставлял на поверхности невидимые капли, которые портили сверхпроводимость и мешали чистоте. Теперь маску убрали. Вместо неё в кремнии вытравливают канавки — как бороздки на грядке.

Свежеотполированная поверхность ниобия блестит, как зеркало. Но уже через несколько минут на ней появляется тусклая плёнка окисла, невидимая глазу. Для сверхпроводящего кубита эта плёнка — как песок в часах: она заставляет квантовое состояние разрушаться раньше времени.

Два одинаковых автомобиля сходят с одного конвейера. Кузов, колёса, руль — всё совпадает. Только в одном стоит обычный бензиновый мотор, а в другом — гибридный, который можно подстраивать под дорогу. И вот гибрид глохнет через пару километров, а бензиновый едет десятки. Примерно так обстоят дела с двумя типами сверхпроводящих кубитов — строительных блоков квантового компьютера.

Два листа графена — углеродной плёнки толщиной в один атом — без поворота напоминают забитую мелями гавань: ионы лития либо садятся на мель, либо проносятся мимо без задержки. Но поворот одного слоя относительно другого на 9,43° прокладывает идеальный фарватер. Корабли-ионы надёжно швартуются к углеродным «пирсам» и тут же отчаливают, не сбавляя хода.

Лист графена толщиной в один атом — как гибкая металлическая сетка, по которой электроны носятся почти без препятствий. Сложите два таких листа с небольшим сдвигом, и свойства материала резко меняются: он может стать изолятором, не пропускающим ток.

Обычный графитовый анод в натриевой батарее похож на тесный гараж, куда с трудом влезает крупный грузовик. Натрий крупнее лития и плохо помещается между слоями графита, поэтому батареи быстро теряют ёмкость. Исследователи нашли выход: взяли лист графена и пришили к нему с одной стороны аминогруппы — молекулярные «крючки».

Сверхпроводящие схемы часто строят на переходах Джозефсона — местах, где ток течёт без сопротивления через тонкий барьер. Обычно таким барьером служит слой оксида, но его свойства трудно контролировать на наноуровне. В новой работе барьером становится тонкий слой нитрида ниобия или титана, зажатый между слоями ниобия.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый кубит — музыкант, играющий свою партию. Но в зал время от времени врывается космический луч, и скрипач вздрагивает, сбиваясь с ритма. Эти частицы из далёкого космоса пронзают чип, выбивают лишние электроны и портят хрупкую квантовую музыку.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен играть свою ноту без фальши. Но у сверхпроводящих кубитов есть общая беда: на их электродах копятся случайные заряды, и «нота» уплывает. Инженеры называют это дрейфом зарядового смещения — и обычно борются с ним годами.

Когда два разных материала прижимают друг к другу, а потом разводят, между ними проскакивает искра. Это знакомо каждому, кто снимал шерстяной свитер в темноте или получал удар током от дверной ручки. Долгое время считалось, что заряды просто перескакивают с одной поверхности на другую из-за различий в свойствах материалов. Но недавние опыты показали: всё сложнее.

В кристалле металла атомы стоят ровными рядами, как кирпичи в стене. Но если выбить один кирпич, остаётся пустота — её называют вакансией. Под облучением таких пустот становится много, они начинают сливаться в большие дыры, и металл теряет прочность. Это как если бы в кирпичной стене дыры объединялись в сквозной пролом.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен вступать точно в такт. Малейший шорох в зале сбивает скрипача, и мелодия рассыпается. В кремниевых чипах роль таких шорохов играет электрический шум: случайные колебания заряда внутри материала. Они заставляют квантовые биты ошибаться. Инженеры решили выяснить, как устройство самого чипа связано с этим шумом.

Кубит — вычислительная ячейка квантового компьютера — живёт доли миллисекунды, а потом забывает своё состояние. Одна из причин — крошечный контакт внутри него: два слоя алюминия, между которыми зажат слой оксида алюминия толщиной в пару нанометров.

Тонкая плёнка из арсенида индия, лежащая на изолирующей подложке, ведёт себя как термос с двойными стенками: электроны внутри неё почти не отдают тепло окружающему кристаллу. В обычном металле электроны быстро обмениваются энергией с колебаниями атомов, поэтому их температура всегда близка к температуре образца.

Квантовый бит — как юла, которая должна крутиться долго, не шатаясь. В германии такие юлы научились запускать, но вокруг всегда дрожит пол: электрические помехи сбивают вращение. Чтобы пол был ровнее, сверху обычно кладут толстый слой кремний-германия — он как ковёр, приглушающий шаги.

Обычный сверхпроводник и магнитное поле — как вода и огонь: поле разрывает пары электронов, которые переносят ток без сопротивления. Но стоит вместо сплошной плёнки взять россыпь мельчайших алюминиевых крупинок, каждая из которых покрыта тонким слоем оксида, и ситуация меняется.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть строго свою ноту. Но в зале есть невидимые шумы — дефекты в сверхпроводящих контактах, которые сбивают кубиты с ритма. Эти дефекты называют двухуровневыми системами. Они как трещинки в стекле: маленькие, но способны испортить всю картину. Авторы работы решили выяснить, откуда берутся такие трещинки.

Литий в батарее иногда ведёт себя как плющ на фасаде: вместо ровного слоя выпускает тонкие острые отростки. Эти иглы могут проткнуть разделитель внутри аккумулятора и вызвать короткое замыкание. Поэтому инженеры ищут способы заставить литий расти спокойно. Один из найденных приёмов — подложить под литий тонкую серебряную плёнку.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть идеально слаженно. Если хоть один инструмент фальшивит, мелодия рассыпается. В роли таких музыкантов выступают сверхпроводящие кубиты, а их «фальшь» — это потеря квантовой когерентности. Учёные давно ищут, откуда берутся помехи, и одна из причин прячется в самом материале, из которого сделан кубит.

Квантовый компьютер собирают из множества кубитов — как оркестр из музыкантов. Но каждый инструмент звучит чуть по-своему. В сверхпроводящих кубитах роль струны играет тонкий сэндвич из алюминия и оксида алюминия — переход Джозефсона. Через него туннелируют пары электронов, и от того, насколько легко им это делать, зависит «высота тона» кубита.

Сверхпроводящий кубит — это крошечная электрическая цепь, которая ведёт себя как искусственный атом. В обычном состоянии через неё течёт ток без сопротивления, и энергетические уровни расположены ровно, как ступеньки лестницы. Но если в цепи застревает один-единственный электрон, всё меняется.

В сверхпроводнике электроны движутся парами, как пары в танце. Обычно через контакт между двумя сверхпроводниками проходит одна пара за раз. Но если добавить третий контакт, танец усложняется: две пары могут двигаться вместе, образуя четверку. Именно такой четверной резонанс впервые увидели в графеновом переходе с тремя выводами.

Крошечная гребёнка из ниобата лития вибрирует на частоте 300 миллионов раз в секунду. Каждый зубчик вырезан из кристаллической пластины толщиной с человеческий волос, а на его боковых стенках напылены металлические электроды. Звуковая волна мечется внутри зубчика, как эхо в узком каменном каньоне, не находя выхода наружу.

Кристалл толщиной в один атом — как лист бумаги, на котором можно писать электричеством. Такой материал обещает стать основой для крошечных и быстрых микросхем. Но прежде чем запускать его в производство, нужно точно знать, из чего он состоит. И вот тут выяснилось, что привычная формула не сходится.