В квантовом зоопарке — аншлаг: физики нашли сразу 12 новых состояний, и они выглядят… ну очень необычно
NewsMakerБудущее топологических квантовых компьютеров может начинаться с этого странного открытия в дителлуриде молибдена.
Учёные из Колумбийского университета открыли более десятка новых квантовых состояний вещества, пополнив и без того пестрый каталог экзотических квантовых явлений, которые всё чаще называют «зоопарком» физики. Эти состояния не просто редки — многие из них раньше существовали только на уровне теории, и лишь теперь появились реальные подтверждения их существования в лабораторных условиях.
Главный автор исследования , профессор Сяоян Чжу, признаётся: «Некоторые из этих состояний мы наблюдаем впервые. Мы не ожидали, что их окажется так много». Открытие может сыграть ключевую роль в разработке так называемых топологических квантовых компьютеров — гипотетических устройств, которые способны обрабатывать информацию с гораздо меньшим числом ошибок по сравнению с современными квантовыми системами на основе сверхпроводников. Но есть одна проблема: сверхпроводники крайне чувствительны к магнитным полям, а именно такие поля раньше использовали для создания нужных топологических состояний.
В этом смысле команда Чжу добилась прорыва: им удалось сформировать квантовые состояния без применения внешнего магнита. Секрет — в особом материале под названием скрученный дителлурид молибдена. Его структура, образующая узор под названием муарé, открывает путь к целому ряду новых фаз вещества, ранее считавшихся невозможными без мощного магнитного воздействия.
Часть этих фаз может быть связана с эффектом Холла — явлением, впервые описанным ещё в XIX веке. В его классическом варианте электроны в тонком металлическом слое смещаются к краям под действием магнитного поля. Однако при низких температурах и в двумерных системах поведение электронов становится квантовым: напряжение меняется скачками, пропорциональными заряду электрона. Более того, могут возникать состояния, где носители заряда обладают долями от одного электрона — например, -1/3 или -2/3. Это явление называется дробным квантовым эффектом Холла и уже принесло Нобелевскую премию профессору Горасту Штёрмеру, тоже из Колумбийского университета.
Последние годы физики активно охотились за таким эффектом в новых материалах. Прорыв произошёл в 2023 году, когда профессор Сяодун Сюй из Университета Вашингтона вместе с аспирантами обнаружил два долгожданных состояния дробного квантового аномального эффекта Холла — причём тоже без магнита — в слоях скрученного дителлурида молибдена. Эти результаты, подтверждённые в лабораториях Корнеллского университет а и Шанхайского университета Цзяо Тун, стали основой для дальнейших открытий, теперь уже в работе группы Чжу.
Иными словами, физики начинают всё увереннее ориентироваться в этом «зоопарке» квантовой материи. А каждое новое «животное», найденное в этих лабиринтах, приближает нас к технологиям, о которых мы пока только мечтаем.
Учёные из Колумбийского университета открыли более десятка новых квантовых состояний вещества, пополнив и без того пестрый каталог экзотических квантовых явлений, которые всё чаще называют «зоопарком» физики. Эти состояния не просто редки — многие из них раньше существовали только на уровне теории, и лишь теперь появились реальные подтверждения их существования в лабораторных условиях.
Главный автор исследования , профессор Сяоян Чжу, признаётся: «Некоторые из этих состояний мы наблюдаем впервые. Мы не ожидали, что их окажется так много». Открытие может сыграть ключевую роль в разработке так называемых топологических квантовых компьютеров — гипотетических устройств, которые способны обрабатывать информацию с гораздо меньшим числом ошибок по сравнению с современными квантовыми системами на основе сверхпроводников. Но есть одна проблема: сверхпроводники крайне чувствительны к магнитным полям, а именно такие поля раньше использовали для создания нужных топологических состояний.
В этом смысле команда Чжу добилась прорыва: им удалось сформировать квантовые состояния без применения внешнего магнита. Секрет — в особом материале под названием скрученный дителлурид молибдена. Его структура, образующая узор под названием муарé, открывает путь к целому ряду новых фаз вещества, ранее считавшихся невозможными без мощного магнитного воздействия.
Часть этих фаз может быть связана с эффектом Холла — явлением, впервые описанным ещё в XIX веке. В его классическом варианте электроны в тонком металлическом слое смещаются к краям под действием магнитного поля. Однако при низких температурах и в двумерных системах поведение электронов становится квантовым: напряжение меняется скачками, пропорциональными заряду электрона. Более того, могут возникать состояния, где носители заряда обладают долями от одного электрона — например, -1/3 или -2/3. Это явление называется дробным квантовым эффектом Холла и уже принесло Нобелевскую премию профессору Горасту Штёрмеру, тоже из Колумбийского университета.
Последние годы физики активно охотились за таким эффектом в новых материалах. Прорыв произошёл в 2023 году, когда профессор Сяодун Сюй из Университета Вашингтона вместе с аспирантами обнаружил два долгожданных состояния дробного квантового аномального эффекта Холла — причём тоже без магнита — в слоях скрученного дителлурида молибдена. Эти результаты, подтверждённые в лабораториях Корнеллского университет а и Шанхайского университета Цзяо Тун, стали основой для дальнейших открытий, теперь уже в работе группы Чжу.
Иными словами, физики начинают всё увереннее ориентироваться в этом «зоопарке» квантовой материи. А каждое новое «животное», найденное в этих лабиринтах, приближает нас к технологиям, о которых мы пока только мечтаем.