Квантовые материалы представляют собой класс веществ, в которых квантовые явления проявляются на макроскопическом уровне. К числу хорошо известных примеров относятся квантовые жидкости (3He, 4He), а также сверхпроводники и магниты. Более сложные примеры составляют топологически весьма нетривиальные материалы, среди них можно выделить топологические изоляторы (TI), Вейлевские (WSM) и Дираковские (DSM) полуметаллы. Даже “обычные” материалы, например, слоистые полуметаллы или двумерные слои электронов на границе полупроводников, при усилении квантовых корреляций между электронами демонстрируют принципиально новые свойства, не характерные для классических материалов. Физика топологически нетривиальных квантовых материалов является одним из наиболее активно развивающихся направлений в современной квантовой “революции”. В центре внимания – “топологически защищенные” квантовые состояния электронов, которые свободно распространяются по поверхности или краям материала и обладают спином, жестко связанным с направлением импульса.
Эти состояния возникают на поверхности квантовых материалов: топологических изоляторов, Вейлевских и Дираковских полуметаллов.
Со времен создания квантовой механики в начале 20 века, квантовая физика не испытывала столь бурного развития. Одна из причин огромного интереса исследователей к данной области связана с перспективой создания принципиально новых типов приборов для спинтроники и квантовых вычислений на основе защищенных квантовых состояний. В настоящее время основным препятствием использованию квантовых вычислений является потеря когерентности квазичастиц (для простоты, электронов) из-за влияния окружающей среды. Топологически защищенные квантовые состояния, в т.ч. фермионы Майорана, дают способ решения этой проблемы, являясь устойчивыми к внешним возмущениям.
Другая причина связана с возможностью реализации в наноструктурах на основе TI, сверхпроводников (SC) и WSM экзотических элементарных частиц – фермионов Майорана, бозонов Хиггса и т.д. Эти частицы долгое время пытались обнаружить (или ценой огромных затрат обнаруживают) в экспериментах на ускорителях. Наконец, гетероструктуры на основе SC и TI позволяют, в принципе, конструировать зонный спектр электронов с огромной плотностью состояний на уровне Ферми, (т.н. “плоские зоны”), создавая предпосылки к резкому повышению критической температуры сверхпроводимости.
Важнейшим достижением современной физики конденсированного состояния и физического материаловедения явилось открытие в последние годы большого числа материалов с ранее не наблюдавшимися свойствами. К ним относится большой набор истинно двумерных материалов (графен и другие), так называемые топологические материалы [например, топологические диэлектрики и сверхпроводники, вейлевские и дираковские полуметаллы (semi-metals)], системы с фазовым расслоением, материалы со спин-поляризованными электронами на поверхности Ферми (half-metals) и другие.
В этих материалах наблюдаются необычные свойства (например, фермионы Майораны, парадокс Клейна, топологически защищенные электронные возбуждения на поверхности), которые могут быть полезны для различных приложений, в частности для квантовых вычислений. Цель данного курса – дать достаточно широкий обзор электронных свойств этих материалов. Курс должен способствовать расширению кругозора студентов в области физикиь конденсированного состояния и физического материаловедения, осветить современные проблемы, стоящие перед этими дисциплинами, а также дать представление о возможных областях применения новых материалов.
Рассказ профессионала
Я в течение 11 лет работал в компании IBM, которая долгое время была лидером в микроэлектронике. Они впервые обнаружили, что необходимо инвестировать деньги в исследования нанотехнологий, еще до того, как все этим начали заниматься, в начале 2000-х годов в Америке. Уже тогда появилась группа в IBM, которая занималась именно разработкой новых квантовых материалов для продолжения микропроцессоров. И мне очень повезло, именно в этой лаборатории я проработал 11 лет, получил опыт и его перевез в Сколтех. И здесь мы продолжаем похожие исследования, только мы работаем с двумерными материалами. Размеры двумерного материала — порядка одного или нескольких атомарных слоев.
Таких материалов существует большое множество, порядка четырех тысяч. Из них можно делать многие комбинации, и они намного меньше исследованы, чем графен. Большинство из них имеют прямую зону, то есть они очень эффективно поглощают свет. Многие исследователи во всем мире изучают эти двумерные материалы, чтобы узнать, какие их свойства и как они могут быть применены для электроники и оптоэлектроники. Почему они интересны? Потому что они дешевые в производстве, а главное, из них можно делать приборы, используя опыт, накопленный в кремниевых технологиях микропроцессоров. Мы просто переносим, один материал заменяем на другой. Кремний заменяем на какой-то из двумерных материалов. И вопрос остается: какой? В этом и заключается исследование.
Как я сказал, свойства этих материалов зависят от количества слоев, от композиции, от структуры, и их огромное количество. Расскажу о черном фосфоре. Почему он вызывает интерес исследователей? Дело в том, что он имеет ширину щели намного больше, чем у графена. Если у графена ее нет, то здесь она может быть от 0,3 электронвольта до 2 электронвольтов ― в зависимости от количества слоев. Этот материал прямозонный, и он может применяться как в электронике, так и в оптоэлектронике. Но основная проблема в том, что в обоих применениях нам нужно знать электрические свойства электронов и дырок в этом материале. Наша группа предсказала эти свойства на основе расчетов, используя квантовую химию и модель гамильтонианов, мы предсказали, как это рассеяние зависит от температуры, концентрации, электрических полей. В общем, то, как будет себя вести транзистор, построенный на основе этого материала.
Это кремниевая пластина, основа микроэлектроники, на которую наносятся различные слои, ведущие к устройствам, которые мы используем в наших сотовых телефонах, компьютерах и так далее. И то, о чем я рассказывал, касается квантовых материалов, которые могут заменить кремний для каких-то приложений. Квантовые материалы выращиваются отдельно. Скажем, на металлических подложках, как здесь показан графен. Также можно вырастить молибден дисульфид. И чтобы сделать прибор, нужно перенести этот квантовый материал на кремниевую подложку, что люди умеют делать. После того как она оказывается на этой подложке, мы можем использовать стандартные методы микроэлектроники, чтобы вырезать и сделать на них приборы. Собственно говоря, это основная мотивация для этих исследований, из-за которой изучаются именно двумерные и именно квантовые материалы, почему мы можем ожидать каких-то новых решений в технологиях с их помощью.
Существует другой класс материалов, которые являются композитами металла и, скажем, атома серы или селенида. Эти материалы также активно изучаются. У них прямая щель порядка 2 вольт, что соответствует видимому диапазону. Они очень хорошо поглощают свет. Но дело в том, что, так как это материал двумерный, энергия связи между электроном и дыркой очень сильная, что приводит к тому, что когда мы облучаем этот материал светом, то создаются экситоны с большой энергией связи. Чтобы из них сделать что-то полезное, чтобы разъединить электрон и дырку, нужно приложить электрическое поле. Чтобы определить, какое поле нужно приложить, можно сделать расчеты, также используя гамильтонианы и посчитав частичную функцию для электронов и дыр. Самое интересное, что если этот материал положить на разные подложки, например диоксид кремния или какой-то другой диэлектрик с другим потенциалом экранирования, то энергия связи будет меняться. Поэтому потребуется меньшее или большее поле для разъединения. Это исследование очень полезно для инженерии приборов на основе этих материалов.
Я рассказал только про два из них. На самом деле их целая тысяча. А самое интересное заключается в том, что их можно комбинировать, один накладывать на другой, тем самым менять их свойства. Очень важно смотреть, как они соотносятся с окружающей средой на воздухе, как они относятся к воде, как могут поменяться их свойства. И это все очень важные вопросы для потенциальных применений. Но самое важное ― нужно определить цель этих исследований, что мы хотим получить на выходе. Дело в том, что с электроникой очень сложно конкурировать. А в оптоэлектронике еще есть незанятые экономические ниши, поэтому так важна фотоника и изучение квантовых материалов. В нашем центре мы изучаем, пытаемся получить какие-то решения, которые относились бы к оптоэлектронике, будь то детекторы на инфракрасном диапазоне или какие-то решения для солнечных батарей.
Что касается перспектив, то есть такой важный аспект, как коллективные возбуждения, плазмоны. Они намного усиливают поглощение света. Скажем, если тот же графен поглощает 2%, то плазмоны поглощают намного больше света, порядка 30–60%, что намного более интересно для применения в оптоэлектронике. И та проблема, что у графена нет щелей, может решаться путем наноструктурирования графена, то есть вырезать полоски из него размером несколько десятков нанометров, что позволяет менять оптические свойства.
Так же и у всех двумерных материалов: можно менять их электрические и оптические свойства, поднося электрическое поле, перпендикулярное к нему, что будет менять концентрацию носителей. И таким образом мы можем управлять затвором, свойствами этих материалов и комбинировать их с другими похожими материалами. Возвращаясь к началу, все эти материалы совместимы с опытом, накопленным микроэлектроникой за последние 50 лет. И все, что нам надо сделать, — это перенести этот материал на пластину и применить процессы литографии, которые уже очень хорошо изучены и отлажены индустрией.
Предложен новый квантовый материал для переноса информации из человеческого мозга
Ученые утверждают, что разработали новый «квантовый» материал, который однажды будет способен переносить информацию прямо из человеческого мозга в компьютер. Исследование пока находится на раннем этапе, но взывает к идеям вроде загрузки мозга в облако или подключения людей к компьютеру для отслеживания показателей здоровья. Все эти концепции прежде были исключительно уделом научной фантастики. Новый квантовый материал, описанный в статье журнала Nature Communications, представляет собой «никелатовую решетку», которая, как утверждают ученые, может напрямую преобразовывать электрохимические сигналы мозга в электрическую активность, которая может быть интерпретирована компьютером.
Спонтанный перенос водорода между перовскитом и глюкозно-ферментной реакцией / © Purdue University
«Мы с уверенностью можем сказать, что этот материал предоставляет потенциальный путь к разработке компьютерного устройства, которое сможет хранить и передавать воспоминания», — говорит Шрирам Раманатхан, инженер из Университета Пердью.
«Представьте, вы поместили в мозг электронное устройство и, когда естественные функции органа начнут увядать, человек все еще будет иметь доступ к воспоминаниям с этого устройства», — говорит Раманатхан.
Специалисты также утверждают, что материал может чувствовать атомы множества молекул, помимо глюкозы и дофамина. Следующим шагом будет разработка способа, посредством которого материал сможет «общаться» с мозгом.
Своей чувствительностью квантовый материал обязан сильным взаимодействиям между так называемыми коррелированными электронами. Ученые сначала обнаружили, что при контакте материала с молекулами глюкозы оксиды спонтанно захватывали водород из глюкозы при помощи ферментов. То же самое случилось с дофамином из среза мышиного мозга. Это свойство позволило материалу извлекать атомы самостоятельно, без источника энергии.
Работу поддержало множество организаций, включая Национальный научный фонд США, Содружество Гилбрета при Технологическом колледже Университета Пердью, Air Force Office for Scientific Research, Национальный институт психического здоровья, Управление военно-морских исследований и Министерство энергетики США.
Источник: https://naked-science.ru/
