Физики обнаружили невозможное движение и нового кандидата на роль кубитов в квантовых компьютерах

Исследователи из Molecular Foundry в Национальной лаборатории им Лоуренса Беркли установили, что низкотемпературные квантовые квазичастицы фазоны в кристаллических решетках заставляют квазичастицы экситоны двигаться даже в условиях, в которых любое движение, как ожидалось, должно быть невозможным.

Это открытие дополняет фундаментальные знания в области материаловедения и может помочь повысить стабильность работы квантовых технологий, включая использование экситонов в качестве кубитов. Если сложить и немного повернуть два изображения с одинаковыми формами, например, квадраты или треугольники, образуется муаровый узор. Он будет более крупным волнообразным изображением, которое, как кажется, создает рябь на поверхности. Этот оптический эффект достигается за счет простого повторения и выравнивания.

Аналогичный эффект возникает в наноструктурах, когда исследователи накладывают друг на друга сверхтонкие слои полупроводников, называемые дихалькогенидами переходных металлов, толщиной не более атома. Такое наложение создает то, что ученые называют муаровым потенциалом. Это повторяющиеся энергетические участки с выпуклостями и впадинами между слоями материалов. Такие узоры могут вызывать необычное электронное и оптическое поведение квантовых частиц.

До недавнего времени ученые считали, что эти муаровые потенциалы не могут двигаться. Однако исследователи из Molecular Foundry обнаружили, что в наложенных друг на друга слоях дихалькогенидов переходных металлов происходит движение, даже при чрезвычайно низких температурах.

Это открытие является многообещающим, поскольку управление муаровыми потенциалами может помочь смягчить декогеренцию в кубитах и датчиках. Декогеренция возникает после того, как в результате интерференции теряется квантовое состояние и информация о нем.

Возбуждение слоев этих сверхтонких материалов с помощью зеленого импульсного лазера заставляет электроны переходить в возбужденное состояние. Электроны оставляют после себя свободное место с положительным зарядом. Это создает пару электрон-свободное место — экситон.

Спецпроекты

Обычно экситоны образуются в однослойных материалах. Однако в двухслойных системах экситоны разделяются. Электроны перемещаются в слой дисульфида вольфрама, а положительно заряженные свободные места остаются в слое диселенида вольфрама.

Эти особые экситоны, прыгающие сквозь слои, ученые называют «межслойные экситоны» или IX. По словам руководителя исследования, научного сотрудника Molecular Foundry Антонио Росси, можно было бы ожидать, что эти муаровые участки будут действовать вроде ловушек, откуда попавшие туда экситоны, не могут выбраться. Однако исследователи заметили, что эти экситоны совершали колебания в муаровых структурах, несмотря на то, что были заблокированы в них.

«Для того, чтобы этот потенциал муара двигался, требуется совсем немного энергии, поэтому муар движется так же, как штормовое море. Мы показали, что даже при очень низких температурах энергия и информация не локализованы так, как можно было бы ожидать. Существуют различные способы транспортировки энергии и информации при различных температурах. Это новый способ сделать это», — объясняют исследователи.

Чтобы обеспечить наблюдение за экситонами в движении, Йоханнес Лишнер и Индраджит Майти из Имперского колледжа Лондона использовали моделирование для получения моментальных снимков муарового потенциала. По результатам наблюдений исследователи пришли к единому выводу, сам потенциал муара должен двигаться.

Ученые считают, что низкотемпературные квазичастицы фазоны позволяют межслойным экситонам двигаться даже когда те заблокированы. Фазоны представляют собой квант энергии в середине кристаллической решетки, который имеет собственный импульс и положение, и в целом ведет себя подобно частице.

Антонио Росси и его коллеги выяснили, что движение межслойных экситонов в муаровом потенциале зависит от угла и температуры. В частности, они совершают максимальное движение, когда слои дихалькогенидов переходных металлов параллельны. Когда температура системы становится близкой к нулю, движение межслойных экситонов постепенно также приближается к нулю, однако не останавливается полностью.