9 июля 2021 года

Редкоземельные соединения очаровывали исследователей на протяжении десятилетий из-за их уникальных квантовых свойств, которые до сих пор оставались полностью недоступными для обычных соединений.

Одно из самых замечательных и экзотических свойств этих материалов – появление экзотических сверхпроводящих состояний, и особенно сверхпроводящих состояний, необходимых для построения будущих топологических квантовых компьютеров. Хотя эти специфические соединения редкоземельных элементов, известные как сверхпроводники с тяжелыми фермионами, были известны уже несколько десятилетий, создание из них пригодных для использования квантовых технологий остается критически открытой проблемой. Это связано с тем, что эти материалы содержат критически радиоактивные соединения, такие как уран и плутоний, что делает их ограниченное использование в реальных квантовых технологиях.

Новое исследование открыло альтернативный путь для разработки фундаментальных явлений этих редкоземельных соединений исключительно с использованием графена, который не имеет никаких проблем безопасности традиционных соединений редкоземельных элементов. Захватывающий результат в новой статье показывает, как квантовое состояние, известное как «тяжелый фермион», может быть создано путем объединения трех скрученных слоев графена. Тяжелый фермион – это частица, в данном случае электрон, которая ведет себя так, как будто она имеет гораздо большую массу, чем на самом деле. Причина, по которой он ведет себя таким образом, связана с уникальными квантовыми многочастичными эффектами, которые до сих пор наблюдались только в редкоземельных соединениях. Такое поведение тяжелых фермионов, как известно, является движущей силой явлений, необходимых для использования этих материалов для топологических квантовых вычислений. Этот новый результат демонстрирует новый, нерадиоактивный способ достижения этого эффекта с использованием только углерода, открывая путь для устойчивого использования физики тяжелых фермионов в квантовых технологиях.

В статье, написанной Алин Рамирес (Институт Поля Шерера, Швейцария) и Хосе Ладо (Университет Аалто), исследователи показывают, как можно создавать тяжелые фермионы из дешевых нерадиоактивных материалов. Для этого они использовали графен, который представляет собой слой углерода толщиной в один атом. Несмотря на то, что он химически идентичен материалу, который используется в обычных карандашах, субнанометровая толщина графена означает, что он обладает неожиданно уникальными электрическими свойствами. Укладывая тонкие листы углерода друг на друга в определенном порядке, где каждый лист поворачивается относительно другого, исследователи могут создать эффект квантовых свойств, в результате которого электроны в графене ведут себя как тяжелые фермионы.

«До сих пор практические применения сверхпроводников с тяжелыми фермионами для топологических квантовых вычислений особо не применялись, отчасти потому, что требовались соединения, содержащие уран и плутоний, что далеко не идеально для приложений из-за их радиоактивной природы», говорит профессор Ладо, «В этой работе мы показываем, что можно стремиться реализовать ту же самую физику только с графеном. В то время как в этой работе мы показываем только появление поведения тяжелых фермионов, рассмотрение возникновения топологической сверхпроводимости является естественный следующий шаг, который потенциально может иметь революционное влияние на топологические квантовые вычисления ".

Топологическая сверхпроводимость – это тема, представляющая критический интерес для квантовых технологий, также рассматриваемая альтернативными стратегиями в других статьях факультета прикладной физики Университета Аалто, включая предыдущую статью профессора Ладо. «Эти результаты потенциально обеспечивают основанную на углероде платформу для использования явлений тяжелых фермионов в квантовых технологиях, не требуя использования редкоземельных элементов», заключает профессор Ладо.

Источник: https://www.aalto.fi/en