Кремний сдает вахту: физики заглянули в закулисье электронов
Если вы думали, что квантовая физика — это только про микроскопические частицы, то новое исследование доказывает: она уже вовсю работает в лабораториях, создавая основу для компьютеров будущего.
Компьютерные чипы и датчики изображения в камерах — практически вся наша техника сегодня работает на кремнии. Десятилетиями этот материал позволял технике становиться все меньше и мощнее: вспомните компьютеры размером с комнату и современные тонкие ноутбуки. Но у этого пути есть предел. Физика просто не даст нам бесконечно сжимать транзисторы.
Поэтому ученые готовят нам замену — технологии на квантовой механике. В так называемых квантовых материалах электроны ведут себя совсем иначе, чем в кремнии. Они способны на более сложные вещи: например, создавать сверхпроводимость или магнетизм. Эти свойства крайне важны для устройств будущего.
Марк Дин, физик из Брукхейвенской национальной лаборатории, объясняет свою роль так: его задача — понять, как работают эти материалы, чтобы потом инженеры могли использовать их в приборах. Для этого Дин и его коллеги используют хитрый метод — резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей, или сокращенно RIXS. Эта техника позволяет рассматривать пленки толщиной всего в один атом и ловить состояния вещества, которые меняются за доли секунды. Благодаря новым технологиям ученые теперь могут делать то, о чем пять лет назад даже не мечтали.
Настолько серьезный прогресс подтолкнул Дина и троих его коллег — Маттео Митрано, Стивена Джонстона и Ен Чжуна Кима — задуматься: а куда движется эта область в целом? Они собрали свои мысли и прогнозы в статью для престижного журнала Physical Review X. Такие статьи выходят там раз в два года, и к ним приковано особое внимание.
Маттео Митрано из Гарварда говорит, что они холи написать работу, которая вдохновит коллег. И это действительно получился очень смелый, устремленный в будущее текст.
Как же работает RIXS? Ученые «обстреливают» материал ярчайшими рентгеновскими лучами. Это взаимодействие меняет и сам луч, и образец. Приборы — спектрометры — ловят малейшие изменения энергии и импульса рентгена. А по ним уже можно восстановить, что происходило внутри материала и как электроны общались между собой.
Стивен Джонстон из Университета Теннесси сравнивает это с гитарой. Музыкант зажимает струны на разных ладах, меняя их длину. По частоте звука мы понимаем, какая струна и какой длины звучала. Так и здесь: по изменениям луча мы понимаем, что творилось с электронами.
Другие методы дают лишь намеки на поведение электронов, а RIXS позволяет заглянуть туда, куда обычно вход запрещен, добавляет Ен Чжун Ким из Университета Торонто. Метод настолько чувствителен, что улавливает мельчайшие флуктуации и возбуждения электронов.
Ученым повезло: у них есть доступ к одной из лучших в мире установок для RIXS. Это станция SIX в Брукхейвене. Она стоит настолько устойчиво, что гасит любые вибрации, и ловит изменения энергии с рекордным разрешением. Благодаря ей уже сделано много открытий. Например, та же команда ученых смогла разобраться в деталях поведения экситонов — крошечных подвижных объектов, которые ведут себя как частицы.
Но самое интересное, по мнению авторов, еще впереди. Например, они планируют с помощью RIXS напрямую доказать существование квантовой запутанности. Это пугающее явление, когда частицы связаны друг с другом, даже если их разнести на тысячи километров. Запутанность — основа квантовых компьютеров и связи, но поймать её за хвост очень сложно.
Митранo поясняет: слово «квантовый» сейчас часто используют как модный ярлык, но нужно четко понимать, что именно делает материал квантовым. Ученые хотят научиться детектировать запутанность и использовать её свойства.
Помимо станции SIX, ученые используют и другие источники излучения, например, в Стэнфорде, где можно делать сверхбыстрые замеры. Представьте: лазерный импульс меняет квантовое состояние материала, и это новое состояние нужно успеть изучить, пока оно не исчезло. Живет оно всего пикосекунды — триллионные доли секунды. Эти неизведанные состояния материи могут обладать удивительными свойствами, которые дадут нам новые технологии.
Ким добавляет, что RIXS открывает ученым пространство для игр: теперь они могут понять, как с помощью света управлять материалами и их свойствами на микроскопическом уровне. Особенно ученых интересуют материалы, собранные из нескольких атомарных слоев — их тоже можно будет изучать новым методом.
Правда, у метода есть сложность: взаимодействие рентгена с веществом очень непростое, и данные расшифровывать трудно. Но тут на помощь приходят физики-теоретики, которые работают рука об руку с экспериментаторами. Благодаря этому технология продолжает быстро совершенствоваться и обещает подарить нам понимание тех самых материалов, из которых
Для науки это исследование — как микроскоп для биолога, только на совершенно новом уровне. Мы привыкли, что физика конденсированного состояния — это про свойства «здесь и сейчас». RIXS же позволяет нам смотреть на танец электронов в реальном времени. Понимание запутанности, поиск новых фаз вещества, которые живут пикосекунды — это переворот в фундаментальных знаниях. Это все равно что впервые увидеть клетку под микроскопом: ты понимаешь, что мир устроен сложнее, чем ты думал, и получаешь инструмент, чтобы это изучать.
В реальной жизни польза будет колоссальная, хоть и не сразу.
- Квантовые компьютеры. Если мы научимся надежно создавать и измерять запутанность, мы перестанем тыкать палкой в черный ящик. Мы сможем проектировать кубиты (элементы квантовых компьютеров) с заданными свойствами, а не искать их случайно.
- Энергетика. Понимание сверхпроводимости на квантовом уровне — это прямой путь к созданию материалов, которые проводят электричество без потерь при комнатной температуре. Это решит проблему передачи энергии на расстояния и сделает любые электроприборы в разы эффективнее.
- Сенсоры. Квантовые сенсоры, чувствительные к одиночным фотонам или магнитным полям мозга, позволят создать совершенно новые медицинские диагностические приборы и навигационные системы, которые не зависят от GPS.
Безусловно, работа впечатляет амбициозностью, а результаты, полученные на установке SIX, не вызывают сомнений в качестве. Однако главная проблема метода RIXS — сложность интерпретации данных — авторами хоть и упоминается, но списывается со счетов чересчур оптимистично.
Теоретические модели, которые позволяют расшифровать спектры, зачастую сами построены на тех допущениях, которые мы пытаемся проверить. Мы получаем циклическую аргументацию. Далее, заявления о прямом детектировании квантовой запутанности в твердом теле с помощью RIXS пока выглядят скорее как декларация о намерениях.
На сегодняшний день нет четкого, общепризнанного протокола, как отделить сигнал запутанности от огромного количества шумов и коллективных эффектов в материале. Без этого «доказательство» останется красивой интерпретацией, а не экспериментальным фактом. Работа прекрасно показывает, куда мы хотим прийти, но маршрут и карта местности все еще очень туманны.
Ранее мы разбирались в работе современных квантовых компьютеров.
