Хабрахабр

Hf2Te2P — «кремний» квантовых компьютеров?

Эта технология обещает нам устройства, работающие по принципу «быстрее, выше, сильнее», при этом пока сложно полноценно описать все ее преимущества и недостатки. Видимо и дня не проходит без того, чтобы кто-то не заговорил о квантовых компьютерах. И для достижения столь желанных высот необходимо много труда, ибо новая технология это новые принципы, новые устройства и, конечно же, новые материалы. Однако перспектива невероятно быстрых вычислений и передачи данных, а также хранения огромного объема данных «в маковом зернышке» несомненно привлекательна. А что используют квантовые? Классические, как теперь принято называть, компьютеры в качестве материала-фундамента используют кремний. Что это за новые свойства уже известного вещества, почему внимание уделили именно ему и почему его величают «прорывом» в квантовых технологиях? Об этом и пойдет речь в исследовании, рассматриваемом нами сегодня. Осталось их только найти. Ответы сокрыты в докладе ученых. Поехали.

Предыстория и основа исследования

Подобные материалы впервые были описаны еще в 80-е годы, но реально их обнаружить удалось лишь в недалеком 2007 году. Огромным стимулом для повторного изучения различных веществ с желанием найти в них свойства, полезные для квантовых технологий, стало открытие топологических изоляторов*.

Топологический изолятор* (ТИ) — материал, внутренняя часть которого является изолятором, а поверхностная проводит электрический ток.

Эти материалы подтолкнули ученых исследовать нестандартные поверхностные состояния* уже известных и определенно полезных для квантовых компьютеров веществ.

Поверхностное состояние* — электронное состояние поверхности твердого тела.

Поверхностные состояния, характерные топологическим изоляторам, могут иметь различное происхождение, к примеру сильное спин-орбитальное взаимодействие* или эффект электронной корреляции. В любом случае, если понять происхождение подобных состояний, то можно использовать их в реализации столь масштабного и амбициозного проекта как квантовые технологии.

Спин-орбитальное взаимодействие* — взаимодействие движущейся частицы и ее собственного магнитного момента, вызванное спином этой частицы.

Первым представителем ТИ стало соединение висмута, теллура и серы, известное под названием тетрадимит (Bi2Te2S). Поверхностное состояние тетрадимита было основано на спин-орбитальном взаимодействии и подкреплялось т-симметрией*.

T-симметрия* — симметрия уравнений по отношению к обращению времени (то есть к замене времени t на -t).

Также стоит упомянуть и топологические полуметаллы Дирака, такие как Cd3As2 и Na3Bi. В них была обнаружена связь между зоной валентности* и зоной проводимости* в определенных дискретных точках зоны Бриллюэна*.

Валентная зона* — энергетическая зона электронного состояния твердого тела, заполненная валентными электронами и отвечающая за электропроводимость тела.

Зона проводимости* — энергетическая зона электронного состояния твердого тела незаполненная электронами.

Когда электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, пройдя запрещенную зону, они начинают перемещаться под воздействием электрического поля, т.е. участвуют в проводимости.

Зона Бриллюэна*

а) — для простой кубической решетки;
b) — для гексагональной решётки.

В данных материалах присутствует кристаллическая и инверсионная симметрия.

Еще в 1929 Герман Вейль сформулировал уравнение движения для безмассовой двухкомпонентной частицы, названное в его честь. Весьма интересная ситуация была связана с другим полуметаллом, арсенид тантала (полуметалл Вейля). Вплоть до 2015 года никому не удавалось получить полуметалл Вейля, а следовательно и зафиксировать предсказанную им частицу с полуцелым значением спина. Занимаясь этим, ученый предсказал существование так называемого фермиона Вейля. Обнаружены были возбуждения решетки, проявляющие себя как фермионы Вейля. Когда же через кристалл арсенида тантала пропустили рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, ученым удалось изучить физические свойства необычного вещества.

Частицы Вейля просто проходят сквозь или обтекают препятствие, будто его для них и нет вовсе. Фермионы Вейля удивительны тем, что в отличие от электронов не подвержены обратному рассеянию, когда частица наталкивается на препятствие.

Подобные материалы вызывают живейший интерес ученых, поскольку могут кардинально изменить мир компьютерных технологий благодаря своим необычайным свойствам.

Однако целью сегодняшних наших героев был поиск не просто подходящего материала, а воистину идеального, совмещающего в себе сразу несколько важных свойств. Как мы видим, вполне достаточно и вышеперечисленных материалов для внедрения в квантовые технологии.

Весьма впечатляющая смесь в одном флаконе. Таким веществом стал металл Hf2Te2P, в котором были обнаружены топологические фермионные поверхностные состояния, пересечение Дирака и дуга Дирака.

Экспериментальные измерения

Основным методом выявления всего вышеперечисленного послужила фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением.


Изображение №1: Кристаллическая структура и характеризация образца Hf2Te2P.

Квадратами выделены 2 группы плотнейшей пятислойной упаковки атомов*. На изображении представлена ромбоэдрическая тетрадимитовая кристаллическая структура Hf2Te2P. Фиолетовые точки это Te (теллур), зеленые — Hf (гафний), а желтые — P (фосфор). Красная звезда указывает на центр инверсии*.


Пример плотнейшей упаковки атомов.

Инверсия* — преобразование пространства эквивалентное математическому понятию «отражение».

График 1b отображает температурную зависимость электросопротивления, измеренную в одном кристалле Hf2Te2P при воздействии магнитного поля перпендикулярно току, текущему в базисной плоскости кристаллографической элементарной ячейки. Коричневая линия — магнитное поле в 0 Тл; оранжевая линия — магнитное поле в 9 Тл.

Также на графике 1b мы видим изображение монокристалла* Hf2Te2P, выращенного для проведения данного исследования.

Монокристалл* — отдельный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.

График отображает зависимость магнитосопротивления при различных температурах в монокристалле Hf2Te2P, когда ток протекает в базисной плоскости кристаллографической элементарной ячейки.

Проекция объемной зоны Бриллюэна на гексагональную поверхность той же зоны кристалла Hf2Te2P, где отмечены точки высокой симметрии, показана на рисунке 1d.

Тут видны большие пики Te 4d (теллур) и Hf 4f (гафний), что является показателем высокого качества испытуемого образца. И, наконец, изображение показывает результаты измерений уровня ядра Hf2Te2P.

Помимо определения нескольких конусов Дирака* в точке Γ (изображение 1d) при различном уровне энергии связи* ниже и выше уровня Ферми*, также была выявлена дуга Дирака, централизованная в точке М вдоль направления Г-М-Г в плоскости импульса энергии.

Конусы Дирака*

Уровень Ферми* — увеличение энергии основного состояния системы при добавлении 1 частицы; максимальная энергия фермиона в основном состоянии при температуре абсолютного нуля.


Изображение №2: Поверхность Ферми и наблюдение множественных фермионных состояний

Белыми пунктирными линиями под номером 1 и 2 обозначено направление дисперсии. Изображения в группе показывают различные поверхности Ферми при разном уровне фотонной энергии (80 эВ, 90 эВ и 100 эВ).

Данные были получены с помощью экспериментальной станции источника синхротронного излучения* при температуре 18 К (-255. Изображения от b до d показывают карты дисперсии, измеренные вдоль различных высоко симметричных направлений при разном уровне фотонной энергии. 15 °C).

Синхротронное излучение* — электромагнитное излучение, которое испускают заряженные частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями по траекториям, искривлённым магнитным полем.


Изображение №3: экспериментальные наблюдения дуги Дирака.

Отчетливо видна поверхность Ферми в форме цветка с шестью лепестками, говорящая о том, что даже в металлическом дираковском материале возможна столь ярко выраженная дисперсия. На изображениях группы видны контуры поверхности постоянной энергии при различных показателях энергии связи (от 0 до 1000 мэВ, миллиэлектронвольт). Ниже, на 3b, показаны контуры постоянной энергии ближе к дуге Дирака.

— дисперсионная карта по направлению K-M-K вдоль направления разреза, выявленная для поверхности постоянной энергии при уровне энергии связи около 1000 мэВ.

Приближаясь к подведению итогов стоит отметить все фермионные состояния, определенные в образце посредством расчетов и экспериментальных наблюдений.


Изображение №4: множественные фермионные состояния.

Подведение итогов

Такой же важностью обладают и конусы Дирака с линейной дисперсией в широком диапазоне энергий (~ 2,3 эВ), что больше чем у полуметтала ZrSiS (~ 2 эВ). Как уже было сказано ранее, одним из важнейших наблюдений была поверхность Ферми в форме цветка с шестью лепестками, говорящая о том, что даже в металлическом дираковском материале возможна столь ярко выраженная дисперсия.

В случае с Sb2Te3, материалом p-типа, точка Дирака расположена значительно выше уровня Ферми (5b). Стоит отметить, что в уже хорошо изученных топологических изоляторах n-типа Bi2Se3/Bi2Te3 (5a) экспериментально было обнаружено, что нижний и верхний поверхностные конусы Дирака располагают уровнем Ферми значительно выше точки Дирака (точки соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости). В некоторых же других материалах наблюдается соприкосновение объемной проводимости и зоны валентности в одномерной петле, защищенной несимморфной симметрией ().

До сего момента еще ни один материал не мог похвастаться подобным. И все эти три феномена встречаются в одном материале сразу, в Hf2Te2P (5d, 5e).

Для ознакомления с подробностями расчетов и измерений настоятельно рекомендую почитать доклад исследователей, доступный по этой ссылке.

Также исследователи предоставили доступ для всех желающих к дополнительным материалам своей работы.

Эпилог

Квантовые технологии вообще сложно назвать легкими, по крайней мере мне. Подобные исследования никоим образом нельзя назвать простыми. Совокупность нескольких полезных свойств в одном материале могут быть преимуществом над сложностью его изготовления. Однако подобный колоссальный труд может окупиться в стократ, поскольку обнаруженные исследователями ранее скрытые свойства известного материала могут расширить спектр возможностей в реализации квантовых вычислительных машин. Все эти исследования, хоть и подкреплены экспериментальными измерениями и наблюдениями, все же остаются по большей степени теоретическими. Возможно, если кому-то не удастся найти альтернативу вышеописанному материалу, он может стать Розеттским камнем технологий будущего. В любом случае, торопиться не стоит. Лишь практическая реализация какого-либо устройства с использованием подобных материалов сможет на 100% уверить нас в его уникальности и невероятной полезности, о чем говорят ученые. Долгий путь еще нужно преодолеть миру науки, чтобы подобные исследования вошли в историю, как открытия прошлого, повлиявшие на наше будущее.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть