Физики бросили вызов законам? Создан материал из двух «невозможных» компонентов

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Представьте себе: вы берете два материала, каждый из которых — сам по себе головная боль для физиков, настоящая экзотика из мира квантовой механики. Один ведет себя так странно, что внутри него будто бы рождаются частицы, которых в природе не найти в свободном виде. Другой — приют для частиц, бегающих со скоростью света и обладающих свойствами, которые заставляют пересматривать учебники. Что будет, если… просто сложить их вместе, как слои в бутерброде?

Звучит как безумная затея? Возможно. Но именно этим и занялась международная команда ученых под эгидой Ратгерского университета. И знаете что? У них получилось. Они создали микроскопическую структуру, этакий «сэндвич» на атомном уровне, соединив два материала, считавшихся практически несовместимыми. Это не просто инженерный трюк; это открытие двери в совершенно новую область физики — физику границ раздела, где два квантовых мира соприкасаются.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Знакомьтесь: «невозможные» соседи

Давайте разберемся, с чем мы имеем дело.

С одной стороны нашего «сэндвича» — титанат диспрозия. Звучит солидно, правда? Это не просто какое-то соединение. В определенных условиях оно превращается в так называемый «спиновый лед». Не спешите представлять себе замороженную газировку! Здесь «лед» означает особую, очень упорядоченную, но при этом «фрустрированную» структуру крошечных магнитных моментов — спинов. Они ведут себя так хитро, что внутри материала возникают квазичастицы, имитирующие магнитные монополи. Помните из школы, у магнита всегда два полюса, северный и южный? А вот монополь — это гипотетическая частица лишь с одним полюсом. Поль Дирак предсказал их еще в 1931 году, но «живьем» их так и не поймали. А тут — пожалуйста, внутри спинового льда они словно оживают благодаря коллективному танцу электронов. Чудеса, да и только!

С другой стороны — пирохлор-иридат. Тоже не самый обычный парень в мире материалов. Это магнитный полуметалл, и его главная фишка — он является домом для фермионов Вейля. Еще одни экзотические частицы, предсказанные Германом Вейлем почти сто лет назад и обнаруженные в кристаллах совсем недавно. Они ведут себя как частицы без массы, носятся почти со скоростью света и обладают определенной «хиральностью» — бывают «левыми» и «правыми». Что важно для практики — они невероятно устойчивы к внешним возмущениям. Представьте себе сверхскоростной и суперстабильный носитель информации — вот это про них.

Каждый из этих материалов — уже сам по себе находка для исследователя, окно в странный и удивительный квантовый мир. А теперь представьте, что их свели вместе.

Не просто сложить, а вырастить!

Соединить несоединимое — задача не из легких. Это вам не бутерброд намазать. Речь идет об атомной точности, слой за слоем. Титанат диспрозия и пирохлор-иридат имеют разные кристаллические структуры, разные требования к условиям роста. Стандартные методы тут не годились.

Что сделали ученые? Они построили специальную установку! Назвали ее Q-DiP (Платформа для Открытия Квантовых Явлений). Это хитроумное устройство сочетает лазерный нагрев с лазером для послойного атомного осаждения. Оно позволяет выращивать эти сложные структуры с ювелирной точностью, а затем изучать их свойства при температурах, близких к абсолютному нулю — там, где квантовые эффекты проявляются во всей красе. По сути, чтобы создать этот «невозможный» сэндвич, пришлось сначала изобрести инструмент специально под задачу. Это само по себе уже достижение!

Когда миры сталкиваются: магия границы раздела

Хорошо, структуру создали. Но самое интересное начинается именно там, где эти два материала встречаются — на границе раздела, или интерфейсе. Что происходит, когда мир магнитных монополей из спинового льда соприкасается с миром стремительных фермионов Вейля из пирохлор-иридата?

Это пока неизведанная территория. Ученые предполагают, что именно на этой границе могут рождаться совершенно новые, невиданные ранее квантовые состояния. Возможно, взаимодействие этих экзотических квазичастиц приведет к появлению уникальных электронных или магнитных свойств, которых нет ни у одного из «родительских» материалов по отдельности. Именно этот интерфейс — сейчас главный объект исследований. Это как открыть дверь в комнату, где смешались законы двух разных вселенных. Что там найдут? Пока можно только гадать, но ожидания очень высоки.

Зачем все эти сложности? Прицел на будущее

Конечно, такие фундаментальные исследования — это игра вдолгую. Но потенциальные плоды впечатляют.

Во-первых, это квантовые вычисления. Сегодня одна из главных проблем — создание стабильных кубитов, квантовых аналогов битов в обычном компьютере. Кубиты капризны, легко теряют свое квантовое состояние из-за малейших внешних влияний. Фермионы Вейля известны своей стабильностью. Возможно, комбинация их свойств со свойствами спинового льда позволит создать новые типы кубитов — более устойчивые и надежные. А это прямой путь к мощным квантовым компьютерам, способным решать задачи, непосильные для современных суперкомпьютеров: от создания новых лекарств до оптимизации глобальной логистики.

Во-вторых, квантовые сенсоры. Уникальные электронные и магнитные отклики нового материала могут лечь в основу сверхчувствительных датчиков. Представьте себе сенсоры, способные улавливать мельчайшие изменения магнитных полей или других параметров — это может произвести революцию в медицине (например, в МРТ), в геологии, в материаловедении.

И, конечно, спинтроника — область электроники, которая использует не только заряд электрона, но и его спин (магнитный момент). Новый материал с его богатой магнитной жизнью может подсказать пути к созданию более быстрых и энергоэффективных электронных устройств.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Не просто материал, а новый подход

Важно понимать: достижение команды из Ратгерса — это не только про конкретный «сэндвич» из титаната диспрозия и пирохлор-иридата. Это про разработку метода — способа конструировать совершенно новые искусственные квантовые материалы с заранее заданными свойствами, атомный слой за атомным слоем. Это как получить доступ к бесконечному конструктору LEGO на квантовом уровне.

Так что, хотя мы еще только заглядываем в замочную скважину мира, рождающегося на стыке двух «невозможных» материалов, уже ясно: ученые получили в руки мощный инструмент для исследования и, возможно, управления квантовой реальностью. И кто знает, какие еще удивительные структуры и свойства ждут нас впереди на этом пути? Похоже, самое интересное только начинается.

1 комментарий

a
Был бы вызов законам — ничего не сработало бы.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Инструкция по сборке Вселенной: почему для симуляции одного человека хватит энергии настольной лампы

В чилийской пустыне Атакама, на высоте двух с половиной тысяч метров, работают телескопы Паранальской обсерватории. Свет далеких галактик, который улавливают здешние зеркала, летит сквозь космос...

Что, если мы уже поймали сигналы инопланетян, но приняли их за пульсары? Вычислить их поможет алгоритм общения светлячков

Программы поиска внеземных цивилизаций (SETI) с момента своего появления в середине XX века опирались на представления о технологиях, которыми в тот момент обладало само человечество....

Почему компьютерные колонки трещали за секунду до звонка мобильного телефона

Телефон лежит на столе возле компьютера. В колонках неожиданно раздаётся знакомое «ты-ды-дыы, ты-ды-дыы». Через мгновение загорается экран и начинает играть мелодия вызова. Можно заранее потянуться...

Почему домашний йогурт готовится проще, чем кажется на самом деле

Если вы думаете, что приготовление домашнего йогурта — это сложно, дорого и требует каких-то особых кулинарных навыков, то спешу вас разубедить. На самом деле все гораздо проще. Вам не...

Почему механические клавиатуры — это прошлый век и за каким форматом будущее

Еще несколько лет назад механическая клавиатура считалась практически обязательным атрибутом игрового компьютера. Разнообразие переключателей, приятный звук нажатий, возможность подобрать усилие и...

Почему нельзя оставлять зарядное устройство от смартфона в розетке: скрытые риски, о которых многие забывают

Зарядка смартфона давно стала привычной частью домашнего быта. Телефон поставили на ночь, утром отключили кабель, а сам адаптер так и остался в розетке. Через несколько часов к нему снова подключат...