Мезоскопика cond-mat.mes-hall

Сверхпроводящий кубит — крошечное колечко без сопротивления — щёлкает задачами быстрее, чем вы моргаете. Но стоит отключить питание, и всё, что он насчитал, исчезает. Как повар, который готовит без записи рецепта: пока стоит у плиты, помнит каждый шаг, а через час — пусто. Авторы работы предлагают записывать результат в алмаз.

Крошечный алмаз с дефектами — атомами азота, занявшими место углерода, — таит в себе необычную особенность. Вокруг каждого дефекта крутится лишний электрон, как волчок, который можно наклонять радиоимпульсами.

Камертон звучит, когда по нему ударяют. Его зубцы колеблются, и звук слышен, пока вибрация не затихнет. В квантовом мире тоже есть свои «камертоны» — например, дефект в алмазе, который отзывается на магнитное поле, и углеродная трубка, способная дрожать на частоте в миллиарды раз выше ноты «ля». В новой работе эти два объекта заставили чувствовать друг друга.

Камень падает в воду — и вокруг расходятся круги. В квантовом мире магнитная примесь (тот самый камешек) в металле возмущает окружающие электроны, и они образуют вокруг неё особое облако. Его называют облаком Кондо. Как круги на воде в темноте, оно долго оставалось неуловимым.

Внутри алмаза иногда встречаются крошечные изъяны — место, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Физики называют это NV-центром (дефект из азота и вакансии). Такой дефект ведёт себя как магнитная стрелка, которая может хранить информацию в своём вращении.

Электронный заряд — перекати-поле, которое меняет свой лагерь в зависимости от энергии. В кристалле вольфрам-селенида (WSe₂) это видно с предельной ясностью: при напряжении −1.4 В, близком к K-точке зоны Бриллюэна, максимумы туннельного тока оказываются в центрах шестиугольников, где атомов нет. При −1.9 В, ближе к Γ-точке, заряд перебирается на атомы вольфрама. Сдвиг — всего 0.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где струнные и духовые играют на разных языках. Сверхпроводящие процессоры оперируют микроволновыми фотонами в сантиметровых контурах, а спиновые кубиты — например, азотно-вакансионные центры — хранят информацию в масштабах отдельных атомов.

В квантовой механике есть состояния, бросающие вызов интуиции: их вероятностные распределения уходят в минус, как миражи, оставляющие лишь косвенные улики. Эта вигнеровская отрицательность — не просто математический курьёз, а метка подлинной неклассичности, ценнейший ресурс для квантовых вычислений и связи.

Обычный изолятор не проводит ток ни внутри, ни по краям. Топологический изолятор — другое дело: внутри он остаётся изолятором, а по краям пускает электрический ток без потерь. Это свойство защищено топологией — математической характеристикой, которая не меняется при плавных деформациях.

В тёмной лаборатории, где сверхпроводящие чипы охлаждены до тысячных долей кельвина, кубит крутится под действием магнитного поля. Обычный кубит поворачивается в одну сторону. Антикубит — его зеркальный двойник — в противоположную. Вместе они образуют пару, которая чувствует поле вдвое острее, чем любая обычная пара.

Электрон, скользящий по невидимым холмам и впадинам, которые создаёт спиновая текстура, — так выглядит новая глава в физике конденсированного состояния. В квантовых материалах с плавно меняющимся направлением локализованных спинов (спиновая текстура) электрон перестаёт быть просто частицей, летящей сквозь решётку.

Два голоса, разделённые стеной, всё равно слышат друг друга — если стена тонкая, а голоса сильные. Примерно так устроены связанные оптические резонаторы: свет, запертый в одном микрорезонаторе, чувствует присутствие соседнего через свои резонансные состояния — собственные моды открытой системы с утечкой энергии.

Два маятника, связанные световой пружиной, начинают колебаться в такт, даже не касаясь друг друга. В квантовом мире такой синхронизм означает нечто большее: частицы теряют индивидуальность и становятся единым объектом.

Магнитное поле в 8 тесла — это в 200 раз сильнее поля Земли. При таком поле сверхпроводимость в тонкой плёнке дителлурида палладия не просто выживает, а держится до температуры 20 милликельвинов, что в сто раз холоднее космического пространства. Для сравнения: у толстой плёнки того же материала критическое поле в 80 раз меньше. Секрет — в толщине.

Тепловой поток обычно всё выравнивает: горячее остывает, холодное нагревается, и в конце остаётся однородное теплое болото. Так и в квантовом мире: окружение, будь то кристаллическая решётка или газ фотонов, стремится разрушить хрупкую запутанность между частицами.

Толпа из тридцати одного квантового датчика шепчет в алмазной пластине. Раньше этот шёпот тонул в гуле прожекторов: случайные всплески фотонов, которыми считывали состояние спинов, заглушали собственный квантовый шум ансамбля. Теперь физики научились выключать прожекторы и слушать саму толпу.

В глубине криостата, под слоями сверхпроводящих катушек, лежит стопка из сотен полупроводниковых слоёв. Каждый слой толщиной в несколько нанометров: арсенид галлия, затем арсенид алюминия-галлия. Электроны внутри этих слоёв заперты в плоскости, как муравьи на листе бумаги.

Над зеркальной гладью сверхтекучего гелия, охлаждённого до 7 милликельвинов, одиночный электрон танцует в идеальном вальсе с микроволновым фотоном.

В лаборатории Университета Пердью на кристалл гексагонального нитрида бора падает луч лазера, и в ответ вспыхивает одиночная точка света. Это не просто свечение — это сигнал от спинового дефекта, пары электронных спинов, один из которых связан с ядерным спином углерода-13.

В фотометрии — области, занимающейся измерением света, — долгое время оставалась нерешённой задача регистрации одиночных микроволновых фотонов. Причина в том, что энергия такого кванта сопоставима с энергией теплового дрожания атомов, из-за чего сигнал тонет в шуме.

Чтобы кубиты на электронах работали без сбоев, им нужна подложка с безупречной гладкостью — словно зеркало, не искажающее отражение.

В квантовом мире частицы демонстрируют способность проходить сквозь потенциальные барьеры — это явление известно как квантовое туннелирование. Если на пути такого «призрачного» прохода разместить детектор, то сам момент обнаружения срабатывает подобно стартовому пистолету: частица получает резкий толчок и вылетает из барьера с избытком энергии, превращаясь в крошечный двигатель.

Всё вещество, от звёзд до человека, сложено из частиц, которые в Стандартной модели — наиболее полной теории элементарных частиц и их взаимодействий делятся на два семейства: фермионы (кирпичики материи) и бозоны (переносчики сил).

В обычном ферромагнетике спины электронов — их внутренние «магнитные стрелки», существование которых постулировал Вольфганг Паули, — ориентированы в одном направлении.

Классический тепловой двигатель сжигает топливо и неизбежно рассеивает значительную часть энергии в виде тепла — такова цена, которую требует второй закон термодинамики. Квантовый двигатель идёт иным путём: его движущей силой служит не тепло, а идеальная ритмичность, которую физики называют квантовой когерентностью.

В повседневном мире порядок сохраняет, а беспорядок разрушает. Но в квантовой информатике эта логика переворачивается с ног на голову. Рассмотрим алмаз: атомы углерода с их ядрами и электронами ведут себя как крошечные магнитики, способные хранить квантовый «шёпот» — информацию, записанную в ориентации их спинов.

Фундаментальный принцип, открытый Вольфгангом Паули, — принцип запрета Паули — гласит: никакие два фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Сверхтвёрдое тело — это лёд, который течёт. Представьте пруд, схваченный ледяной коркой, но с жидкой глубиной, где вода движется без трения. Обычно такую «корку» — сверхтвёрдое состояние — создают, меняя свойства жидкости по всему объёму.

Пространство между двумя сближенными поверхностями — вовсе не пустота, а бурлящий «квантовый клей». В нём непрерывно рождаются и аннигилируют квантовые флуктуации — микроскопические всплески энергии электромагнитных полей, которые, согласно квантовой теории, придают вакууму динамическую структуру.

Тонкая плёнка из соединения висмута и селена лежит на подложке. По ней бьёт лазерная вспышка длительностью в миллионную долю миллиардной доли секунды. Рядом включён магнит, поле которого слабее, чем у магнитика на холодильнике. И в этот момент в плёнке сам собой возникает электрический ток, перпендикулярный магнитному полю.

Игла туннельного микроскопа парит над поверхностью на расстоянии меньше диаметра атома. Обычно она ощупывает рельеф, как палец — страницу шрифта Брайля. Теперь та же игла научилась слушать, как дрожит мембрана размером с ноготь. В новом эксперименте игла микроскопа стала и смычком, и микрофоном.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так же ведут себя одиночные молекулы, зажатые между двумя металлическими контактами: они постоянно меняют свою форму и посадку, и это влияет на то, как через них идёт ток и тепло.

В кристалле кремния, из которого делают микрочипы, иногда сидит чужой атом — например, магний. Он ведёт себя как маленький магнит с несколькими «положениями стрелки». Если осветить такой кристалл короткой вспышкой, атом на мгновение возбуждается, а потом возвращается в исходное состояние. Но делает он это не сразу, а с задержкой.

Электрон в молекуле — как волчок, запущенный в нужную сторону. Хиральные молекулы, закрученные в одну сторону, как винтовая лестница, пропускают электроны только с одним направлением вращения. Это свойство называется хирально-индуцированной спиновой селективностью, и оно позволяет управлять спином без магнитов.

Тонкая плёнка из перовскита медленно меняет свою кристаллическую структуру. Атомы перестраиваются, как пассажиры в переполненном вагоне, которые постепенно находят более удобные места. Этот процесс занял несколько часов, и всё это время исследователи следили за ним с помощью рентгеновских лучей. Оказалось, что перестройка идёт двумя разными темпами.

Капля чернил падает в стакан воды — и вместо ровного пятна рождается кольцо, которое тут же начинает вращаться. Примерно так выглядит рождение скирмиона: свет, испущенный крошечным источником, закручивается в устойчивый вихрь. До сих пор такие вихри получали только от больших лазеров. Теперь их научились создавать от одиночных атомов прямо на чипе.

Плёнка оксида рутения — как натянутая на рамку плёнка мыльного пузыря, только из атомов. Долгое время считалось, что в этой плёнке атомы рутения выстраиваются в магнитном порядке, как стрелки компасов, указывающие в противоположные стороны. Такой порядок назвали альтермагнетизмом и возлагали на него большие надежды для электроники будущего.

Квантовый чип похож на музыкальный инструмент, который расстраивается от каждого прикосновения. В устройствах из напряжённого германия (материал, где атомы слегка растянуты для лучшей проводимости) главный источник фальши — дефекты на границе между полупроводником и слоем изолятора. Эти дефекты действуют как микроскопические липучки: они цепляют заряды и не дают им двигаться ровно.

Обычный свет — это поток независимых частиц: фотоны пролетают друг сквозь друга, не замечая соседей. Но в сверхпроводящих цепях, охлаждённых почти до абсолютного нуля, ситуация меняется. Там фотоны путешествуют по узким дорожкам из металла, и если в эти дорожки встроить крошечные элементы, называемые джозефсоновскими переходами, свет начинает «чувствовать» сам себя.

В стакане с солёной водой, даже если он стоит неподвижно, постоянно что-то происходит. Крошечные частицы соли — ионы — плавают и сталкиваются, и от этого по воде пробегает рябь. Эта рябь невидимая, но она создаёт силу, которая притягивает или отталкивает предметы, оказавшиеся рядом. Раньше считалось, что эта сила действует только на очень маленьком расстоянии — как будто она быстро затухает.