кремний

Сцена залита ледяным светом, и на ней стоят кремниевые зрители. Каждый из них — матрица крошечных лавинных диодов, способных заметить одиночный фотон, но только если температура вокруг опустится до 165 К. Раньше такие зрители готовили к выступлению в одиночку, вручную, и никто не мог поручиться, что на большой сцене они сработают одинаково.

Частица влетает в кремниевую пластину, как курьер в незнакомый город: ей нужно не просто доставить сигнал, но и оставить точную запись о времени своего визита. Трёхмерный сенсор на чипе Timepix4 делает эту запись с точностью до 245 пикосекунд, а место встречи указывает с погрешностью всего 7 микрометров.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

В тихой комнате, где нет ни одного магнита, два электрона в кремниевой ловушке всё равно чувствуют слабое дрожание. Его создают ядра атомов кремния и германия, которые хаотично поворачиваются, как стрелки сломанных компасов. Раньше это дрожание считали помехой, а теперь оно само стало измерительным прибором.

Луч лазера в оптическом пинцете — это не просто пятно света, а силовой мешок. Частица, попавшая в него, обычно скатывается к самой яркой точке, как шарик в ямку. Но в лаборатории ETH Zurich поймали кремниевый цилиндр размером в сотню нанометров и удерживали его в самом тёмном месте стоячей волны — там, где свет гасит сам себя.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

Перовскитные кристаллы — это класс материалов с уникальной кристаллической решёткой, способных преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью, сопоставимой с традиционным кремнием, но при значительно меньшей стоимости производства.

Юный супер-юпитер TWA5B — раскалённый шар массой в 25 Юпитеров — парит всего в полусотне световых лет от нас. Его тусклое инфракрасное свечение долго скрывало химический состав. Теперь высокоразрешающая спектроскопия с CRIRES+ зарегистрировала призрачный след SiO — монооксида кремния.

Квантовый компьютер похож на оркестр: каждый музыкант ведёт свою партию, но малейший шум из зала способен сбить весь ансамбль. Частицы, хранящие информацию, легко теряют слаженность от тепловых толчков или блуждающих магнитных полей.

Сталь — не монолит, а мозаика из микроскопических зёрен, спаянных друг с другом. Их стыки — границы зёрен — самое уязвимое место: именно здесь начинаются трещины. Атомы примесей, даже в ничтожных количествах, скапливаются на этих стыках, как песок между шестерёнками, и могут либо смазать механизм, либо заклинить его намертво.

Алмаз — самый твёрдый природный материал, и обычно он не проводит электричество. Но если добавить в его кристаллическую решётку немного чужеродных атомов, он может стать полупроводником, как кремний в компьютерных чипах.

Кремний — тот самый материал, из которого сделаны процессоры в каждом телефоне и ноутбуке. Теперь в нём научились ловить одиночный электрон и управлять его спином — крошечным магнитом, который может указывать «вверх» или «вниз». Это как держать в руках волчок: его ось можно наклонять и поворачивать, но здесь вместо рук — электрическое поле.

Карбид кремния — материал, из которого делают броню для электроники. Он выдерживает жару, удары и радиацию, как керамическая плитка на днище космического корабля. Но даже у такой брони есть слабое место: обычные металлические контакты быстро портятся под рентгеном. В новой работе контакт заменили слоем графена — углеродной плёнки толщиной в один атом.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию идеально, иначе мелодия рассыплется. Раньше для управления кубитами — квантовыми «музыкантами» — требовалась целая комната оборудования, и каждый лишний провод добавлял шума.

Плетёная корзина из бамбука — не просто предмет обихода, а точная схема расположения атомов в кристалле YMn₆Sn₆. Шесть атомов марганца образуют шестиугольники, которые складываются в узор, напоминающий японскую кагомэ. В такой решётке электроны обычно ведут себя одинаково, как пассажиры в переполненном вагоне метро.

В ускорителе частиц ядра разбиваются на осколки, как фарфоровая чашка при падении. Каждый осколок пролетает через кремниевые пластины — они регистрируют удар и его силу. Но чтобы отличить настоящий сигнал от случайного шума, нужно выставить порог: ниже него показания считаются помехой.

В недрах каждого жёсткого диска или флешки прячется материал, который умеет «запоминать» электрическое поле. Такой материал называют сегнетоэлектриком. Если приложить к нему напряжение, внутри кристалла развернутся крошечные области — домены, как стрелки компаса. Повернул стрелку — записал единицу, повернул обратно — ноль.

Силовой транзистор на карбиде кремния работает под напряжением, которое в тысячи раз выше розеточного. Если внутри него поле распределится неравномерно, прибор сгорит. Раньше увидеть это поле не могли: оно слишком сильное для обычных датчиков, а прибор при этом должен оставаться под напряжением.

Кремниевый чип размером с ноготь хранит миллиарды крошечных переключателей. Но для квантового компьютера нужны не переключатели, а отдельные электроны, пойманные в микроскопические ямки. Эти ямки — квантовые точки. И вот беда: две соседние ямки, выглядящие одинаково, могут по-разному удерживать электрон. Одна чуть глубже, другая чуть мельче. Раньше такие различия можно было только предполагать.

Кремний — как универсальный строительный блок: из него делают чипы в телефонах, солнечные панели и лазеры. Но если сжать его с огромной силой, атомы перестраиваются в новые узоры — такие формы называют аллотропами. Один из них, Si-XIII, впервые заметили больше двадцати лет назад, но его точный узор оставался загадкой.

Обычный сверхпроводник работает как идеальный провод: электроны объединяются в пары и бегут без сопротивления. В новом материале TaPtSi пары устроены иначе — их внутренняя симметрия перекошена, и при охлаждении ниже критической температуры внутри кристалла сами собой возникают крошечные магнитные поля.

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.

Раскалённая печь в цеху или горячий выхлоп турбины — это не просто жар, а свет, который человеческий глаз не видит. Обычные солнечные батареи ловят видимый свет, а здесь нужен приёмник для невидимого теплового излучения.

Кристалл — как идеально выложенная мозаика из атомов. Но вырастить такую мозаику — задача со звёздочкой: чуть сбился порядок, и появляются «швы» — границы, где ряды атомов не совпадают. Для обычной электроники это мелочь, а для квантового компьютера — катастрофа. Квантовый бит (кубит) хранит информацию в нежном состоянии, которое разрушается от малейшего беспорядка в материале.

Фотон можно представить как автомобиль на многоэтажной парковке, где каждый этаж соответствует его частоте (цвету). В обычных условиях он «застревает» на одном уровне, но исследователи внедрили «лифт» — программируемый модулятор, который по команде перемещает фотон между этажами.

Электроника греется. Чем мощнее процессор, тем больше тепла нужно отвести, иначе он выйдет из строя. Одно из узких мест — граница между двумя материалами: тепло натыкается на неё, как на шов между плитками, и замедляется. Учёные сделали стык между нитридом алюминия и карбидом кремния почти идеально ровным, без единого зазора. Тепло через него проходит почти без потерь.

Каждый электрон — как волчок: он крутится вокруг своей оси. Это вращение называют спином. В обычной электронике спин не используют — только заряд. А зря: если научиться управлять спином, чипы станут быстрее и экономичнее.

Скрученные слои атомов в материале образуют узор из крошечных участков — доменов, каждый из которых может быть наэлектризован в одну из двух сторон, как стрелка компаса, указывающая на север или юг. Раньше такие материалы изучали только целиком, измеряя сразу тысячи доменов, и их общее поведение было похоже на хор, где отдельные голоса не слышны.

Если нагреть один конец проводника, а другой оставить холодным, электроны начинают перетекать от горячего к холодному. Обычно это создаёт напряжение вдоль проводника — как вода, текущая по наклонному жёлобу. Но в некоторых материалах электроны отклоняются вбок, и напряжение возникает поперёк.

Ядро атома обычно имеет чёткую форму — вытянутую, как дыня, или сплюснутую, как тыква. Но кремний-30 ведёт себя иначе: он словно не может решить, каким быть. В эксперименте пучок ядер кремния-28 и кремния-30 направляли на мишень из циркония-90 при энергиях вблизи кулоновского барьера — той границы, где ядра уже почти соприкасаются, но ещё не сливаются.

В кристалле кремния атом фосфора держит лишний электрон на двух очень близких орбитах. Эти орбиты похожи на два соседних этажа в доме, где лестница почти незаметна. Короткий лазерный импульс в среднем инфракрасном диапазоне толкает электрон с нижнего этажа на верхний, и тот начинает качаться между ними, как маятник.

В кристалле карбида кремния, похожем на прозрачный камень, спрятаны дефекты — места, где атомы встали не в ряд. Один такой дефект работает как квантовый узел: электрон внутри него крутится и обрабатывает информацию, а ядро соседнего атома тихо хранит её. Раньше эти двое почти не общались — мешал шум от тепла и магнитных полей.

Квантовый компьютер — это машина, где вместо обычных битов работают кубиты. Кубит может быть не только нулём или единицей, но и тем и другим сразу. Один из способов сделать кубит — взять электрон и заставить его парить над поверхностью жидкого гелия. Гелий охлаждают до температуры ниже двух градусов выше абсолютного нуля.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где электроны и ядра играют на разных инструментах. Обычно дирижёру нужны две палочки: микроволны для электронов и радиоволны для ядер. Учёные из Японии нашли способ обойтись одной палочкой — они заставили микроволновые импульсы управлять и ядром, и электроном одновременно.

В чилийской пустыне Атакама, на высоте почти пять километров, стоит радиотелескоп, который ловит миллиметровые волны из глубин космоса. Эти волны несут тепло далёких галактик, но сначала им нужно пройти через окно — тонкую пластину из кремния, которая отделяет холодный приёмник от тёплого внешнего мира.

Кремниевая пластина — как тесто для печенья. Нагреваешь её в печи, и в глубине появляются крошечные изюминки — дефекты кристаллической решётки, которые умеют испускать одиночные фотоны. Такие «изюминки» называют центрами окраски, и они нужны для квантовых компьютеров и защищённой связи.

Настройка рояля — деликатное дело. Ударишь по одной струне, а отзовутся соседние. Похоже ведёт себя кремниевый чип с дефектами кристалла, который физики готовят для квантовых вычислений. В кристалле карбида кремния (SiC) есть особые точки — вакансии кремния. Там электрон ведёт себя как крошечный магнит с четырьмя состояниями.

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.

Крошечная чешуйка кристалла лежит на подложке, как осенний лист на ладони. Толщина — тоньше человеческого волоса, а внутри кипят квантовые эффекты: сверхпроводимость, магнитный порядок, квантовая спиновая жидкость. Но как измерить, насколько эта чешуйка разбухает от тепла или сжимается в магнитном поле?

Горсть нанокристаллов сульфида свинца, покрытых заряженными молекулами, сама выстраивается в идеальную кристаллическую решётку. Каждый нанокристалл — как кирпичик размером в несколько нанометров, а заряженные молекулы на его поверхности работают связующим раствором.