Физики рассказали, где ожидают революционный прорыв

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, DepositphotosКвантовая природа топологических изоляторовКвантовая природа топологических изоляторов
Подпишись на ежедневную рассылку РИА Наука

Спасибо за подписку

Пожалуйста, проверьте свой e-mail для подтверждения подписки

МОСКВА, 25 окт — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Научной премии Breakthrough Prize, которая в денежном выражении превосходит Нобелевскую, удостоились в этом году физики, чьи работы привели к открытию нового класса веществ — топологических изоляторов. Свойства их обусловлены квантовыми эффектами, и с этим связывают прорыв в микроэлектронике и квантовых вычислениях.

Физик Чарльз Кейн, получивший премию Breakthrough Prize за открытие топологических изоляторов
"Нобелевка" Мильнера досталась физикам за открытие "проводников-изоляторов"

Окно в будущее

Предел вычислительных мощностей компьютеров практически достигнут. Людям нужны на порядки более скоростные устройства, основанные на других физических явлениях. Микроэлектронику необходимо модернизировать. Открытые в последние десятилетия топологические состояния материи дают надежду на то, что очередной виток технического прогресса не за горами.

Топология — это область математики, изучающая, каким образом свойства объектов остаются неизменными при непрерывных деформациях. С ее помощью удалось предсказать существование нового класса материалов. Отсюда их название — топологические изоляторы.

Это твердое вещество, которое не проводит электрический ток, но на поверхности проявляет свойства металла, то есть служит прекрасным проводником. Топологические изоляторы сохраняют эту удивительную способность независимо от дефектов, коррозии, деформации, повреждений. Именно этим они вызвали интерес ученых.

Под защитой топологии

Открытию топологических изоляторов предшествовали фундаментальные научные исследования, о практической пользе которых изначально не помышляли.

В 1981 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг открыл квантовый эффект Холла, возникающий в двумерном образце (очень тонком — толщиной в один-два атома) при низких температурах и сильном магнитном поле. Если такой проводник поместить между магнитами, то в нем возникнет разность потенциалов, перпендикулярная течению тока. С увеличением магнитного поля это "перпендикулярное" сопротивление (физики говорят "холловское") изменяется не плавно, а скачками по определенному закону с участием универсальных физических констант: заряда электрона и постоянной Планка. Таким образом в макрообъекте наблюдаются квантовые процессы, присущие микромиру. В 1985 году это открытие удостоилось Нобелевской премии.

Печатная плата
Российские ученые создали наноструктуры, ускоряющие работу электроники

Далее физики, пытаясь объяснить квантовый эффект Холла, обнаружили, что его природа — топологическая. За эти работы в 2016 году Нобелевскую премию по физике получил, в частности, англичанин Дэвид Таулесс. Грубо говоря, этот эффект проявляется, потому что у твердого тела есть поверхность, край. Именно там неизбежно движение электронов. Убегать с поверхности внутрь образца они не могут — у них нет для этого энергии.

В 2005 году американские физики-теоретики Чарльз Кейн и Юджин Мел предсказали, что должны существовать топологические изоляторы, в которых квантовый эффект Холла наблюдается при обычных условиях: без сильного внешнего магнитного поля и при комнатной температуре.

Роль магнитного поля в них играет особое квантовое явление — спин-орбитальное взаимодействие, обеспечивающее топологическую защиту поверхностных электронов. Действует это следующим образом. Когда заряженные частицы встречают дефект, то в обычном материале могут от него отскочить. В топологическом же изоляторе спин (внутреннее вращение электрона) всегда связан с направлением движения и должен сохраняться, поэтому электрон проигнорирует дефект и продолжит путь, не меняя направления.

Спустя два года после предсказания такие химические соединения действительно открыли. За что Кейн и Мел удостоились на днях премии Breakthrough Prize, учрежденной на средства Юрия Мильнера, Сергея Брина и Марка Цукерберга.

© Иллюстрация РИА НовостиДвумерный топологический изолятор. Электрический ток течет только по краю. Красная и синяя линии показывают направление движения электронов. Их спин (стрелки вверх и вниз) перпендикулярен направлению движения
Двумерный топологический изолятор. Электрический ток течет только по краю. Красная и синяя линии показывают направление движения электронов. Их спин (стрелки вверх и вниз) перпендикулярен направлению движения

Квантовые нанотехнологии

Спин-орбитальное взаимодействие наиболее сильно проявляется в соединениях, в кристаллическую решетку которых входят тяжелые элементы, такие как висмут, ртуть, сурьма.

"Висмут уже сто лет исследуют. И вот в этом году обнаружили, что, если в нем сделать микроканавку, на некоторых ее стенках можно наблюдать топологическое состояние. В последние годы открыли еще несколько семейств топологических  материалов — вейлевские, дираковские полуметаллы, полуметаллы с линией узлов. Поиск продолжается. Сейчас происходит топологическая революция в физике конденсированного состояния", — рассказывает РИА Новости кандидат физико-математических наук Александр Кунцевич, старший научный сотрудник лаборатории сильно коррелированных электронных систем ФИАН.

Его группа работает с кристаллами и тонкими пленками селенида висмута (Bi2Se3). Ученые делают из них простейшие электронные элементы, измеряют проводимость на поверхности, добавляют в систему примеси. На установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) исследуют образцы, их зонную структуру и топологическое поверхностное состояние.

© РИА Новости / Татьяна ПичугинаКристалл селенида висмута обладает свойствами топологического изолятора. Выращен в ФИАН
Кристалл селенида висмута обладает свойствами топологического изолятора. Выращен в ФИАН

Фотоны вместо электронов

"Недавно подсчитали, что из двухсот тысяч известных науке химических соединений, только несколько сот могут быть электронными топологическими изоляторами. Это капля в море", — комментирует РИА Новости Максим Горлач, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО (Санкт-Петербург).

Чтобы расширить класс этих необычных материалов, ученые пошли на хитрость, заменив электроны фотонами — квантами электромагнитного излучения. Для этого конструируют особые структуры, имитирующие кристаллическую решетку. Попадая в них, фотон приобретает эффективный спин и даже в некотором смысле массу и, в общем, чувствует себя как электрон. Такие искусственные структуры называют фотонными топологическими изоляторами.

Оптоволоконный кабель
Открытие ученых из России в фотонике признали прорывом года

"В топологическом состоянии свет распространяется по краю. Если начнем вносить туда дефекты, что произойдет с краевым состоянием? Электромагнитная волна их обогнет, не рассеется, не уйдет вглубь структуры. Это вызывает большой интерес исследователей", — поясняет Горлач.

Ученые в ИТМО изготавливают и изучают структуры из керамики, кремния. Выбор материала зависит от диапазона частот электромагнитного излучения — это могут быть микроволновый, инфракрасный или оптический диапазоны.

В отличие от электронных, здесь не требуются редкие соединения. Однако необходима высокая диэлектрическая проницаемость материала и правильное его структурирование. Кроме того, интервал частот, в которых существуют топологические изоляторы слишком узок. Усилия ученых направлены на то, чтобы его расширить.

© ИТМО / Максим ГорлачФотонный топологический изолятор. Фотоны движутся по краю образца. Если они встречают препятствие, то просто его огибают, не сбавляя хода
Фотонный топологический изолятор. Фотоны движутся по краю образца. Если они встречают препятствие, то просто его огибают, не сбавляя хода

Новые материалы, новые устройства

Фотонные топологические изоляторы перспективны там, где требуется защищенная от помех передача электромагнитного сигнала: оптические системы, линии связи.

"На их основе можно сделать такой волновод, что при любых его изгибах и деформациях, любых изменениях окружающей среды, излучение будет распространяться по нему без рассеяния на дефектах или изгибах. Если оптоволоконный кабель сильно перекрутить или переломить, оптический сигнал не пройдет. А топологический волновод сохранит работоспособность, несмотря на повреждение", — приводит пример Максим Горлач.

Так художник представил себе наночастицу, свечением которой можно управлять
Российские физики создали "радужные" наночастицы для компьютеров будущего

Электронные топологические изоляторы в сочетании с ферромагнетиками найдут применение в спинтронике, которая для переноса информации задействует спин электронов. В будущем — это спиновые транзисторы и накопители информации, спиновые компьютеры, не выделяющие тепла и, как следствие, работающие на порядок быстрее обычных.

Топологический изолятор, соединенный со сверхпроводником, даст топологический сверхпроводник, для которого открывается совершенно другая перспектива — использование в квантовых компьютерах.

Первые эксперименты показали, что, если на нанотрубочку из материала с сильным спин-орбитальным взаимодействием напылить сверхпроводник и охладить до гелиевых температур, сверхпроводимость проникнет в материал, и трубочка превратится в топологический сверхпроводник. На ее концах, как полагают физики, образуются фермионы Майораны — квазичастицы, предсказанные в 1930-х годах Этторе Майораной, учеником Энрико Ферми.

"Если поместить рядом две, условно говоря, трубочки топологических сверхпроводников, на концах которых "живут" фермионы Майораны, то они провзаимодействуют между собой. Значит, их можно рассматривать как квантовые биты и производить с ними квантовые вычисления", — объясняет Александр Кунцевич.

© РИА Новости / Татьяна ПичугинаУстановка для фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Младшие научные сотрудники ФИАН Павел Безотосный и Кристина Дмитриева
Установка для фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Младшие научные сотрудники ФИАН Павел Безотосный и Кристина Дмитриева

Практика отстает от теории

У идеального топологического изолятора на поверхности нулевое сопротивление, а внутри он, наоборот, — идеальный диэлектрик. На практике же ни одно из изученных химических соединений этому идеалу не соответствует: все образцы хоть немного, но проводят ток в объеме и рассеивают на краю. Те же недостатки и у их фотонных разновидностей.

Причины различные: у некоторых веществ, например, у селенида висмута, всегда много проводящих электронов в объеме, отсюда и ток. Попытки избавиться от этого дефекта с помощью добавления примесей пока не принесли успеха. А из-за несовершенной поверхности кристаллов не удается добиться нужной поверхностной проводимости.

Сотрудница завода проверяет качество изготовленных кристаллов на Южноуральском заводе ОАО Кристалл в Челябинской области
Без дефектов: как выращивают монокристаллы для квантовых компьютеров

По словам Кунцевича, очень качественные кристаллы умеют выращивать в Институте геологии и минералогии СО РАН в Новосибирске (его сотрудник Константин Кох стал лауреатом премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года). Но до идеального топологического изолятора, предсказанного теорией, эти кристаллы пока не дотягивают.

Другой путь — вырастить тонкую пленку. Поскольку у нее при большой площади поверхности очень малый объем, то проблема проводимости частично снимается. Пленка технологичнее кристалла, из нее можно делать устройства на чипе, ею можно управлять при помощи внешнего электрического поля. Но разработать технологию получения хороших пленок гораздо сложнее. Для этого требуются многие годы и большие инвестиции, впрочем, как и для всего остального в микроэлектронной промышленности.

"Пока воплотить в жизнь удивительные свойства этих материалов не удалось. То есть устройств еще нет. Если коротко, нынешние топологические изоляторы — недостаточно изоляторы. Нужно продолжать искать, трудности не означают, что цель недостижима", — заключает ученый.

РИА Наука
Комментарии
2 пользователя оставили 2 комментария
Наверх
Авторизация
He правильное имя пользователя или пароль
Войти через социальные сети
Регистрация
E-mail
Пароль
Подтверждение пароля
Введите код с картинки
He правильное имя пользователя или пароль
* Все поля обязательны к заполнению
Восстановление пароля
E-mail
Инструкции для восстановления пароля высланы на
Смена региона
Идет загрузка...
Произошла ошибка... Повторить
правила комментирования материалов

Регистрация пользователя в сервисе РИА Клуб на сайте Ria.Ru и авторизация на других сайтах медиагруппы МИА «Россия сегодня» при помощи аккаунта или аккаунтов пользователя в социальных сетях обозначает согласие с данными правилами.

Пользователь обязуется своими действиями не нарушать действующее законодательство Российской Федерации.

Пользователь обязуется высказываться уважительно по отношению к другим участникам дискуссии, читателям и лицам, фигурирующим в материалах.

Публикуются комментарии только на тех языках, на которых представлено основное содержание материала, под которым пользователь размещает комментарий.

На сайтах медиагруппы МИА «Россия сегодня» может осуществляться редактирование комментариев, в том числе и предварительное. Это означает, что модератор проверяет соответствие комментариев данным правилам после того, как комментарий был опубликован автором и стал доступен другим пользователям, а также до того, как комментарий стал доступен другим пользователям.

Комментарий пользователя будет удален, если он:

  • не соответствует тематике страницы;
  • пропагандирует ненависть, дискриминацию по расовому, этническому, половому, религиозному, социальному признакам, ущемляет права меньшинств;
  • нарушает права несовершеннолетних, причиняет им вред в любой форме;
  • содержит идеи экстремистского и террористического характера, призывает к насильственному изменению конституционного строя Российской Федерации;
  • содержит оскорбления, угрозы в адрес других пользователей, конкретных лиц или организаций, порочит честь и достоинство или подрывает их деловую репутацию;
  • содержит оскорбления или сообщения, выражающие неуважение в адрес МИА «Россия сегодня» или сотрудников агентства;
  • нарушает неприкосновенность частной жизни, распространяет персональные данные третьих лиц без их согласия, раскрывает тайну переписки;
  • содержит ссылки на сцены насилия, жестокого обращения с животными;
  • содержит информацию о способах суицида, подстрекает к самоубийству;
  • преследует коммерческие цели, содержит ненадлежащую рекламу, незаконную политическую рекламу или ссылки на другие сетевые ресурсы, содержащие такую информацию;
  • имеет непристойное содержание, содержит нецензурную лексику и её производные, а также намёки на употребление лексических единиц, подпадающих под это определение;
  • содержит спам, рекламирует распространение спама, сервисы массовой рассылки сообщений и ресурсы для заработка в интернете;
  • рекламирует употребление наркотических/психотропных препаратов, содержит информацию об их изготовлении и употреблении;
  • содержит ссылки на вирусы и вредоносное программное обеспечение;
  • является частью акции, при которой поступает большое количество комментариев с идентичным или схожим содержанием («флешмоб»);
  • автор злоупотребляет написанием большого количества малосодержательных сообщений, или смысл текста трудно либо невозможно уловить («флуд»);
  • автор нарушает сетевой этикет, проявляя формы агрессивного, издевательского и оскорбительного поведения («троллинг»);
  • автор проявляет неуважение к русскому языку, текст написан по-русски с использованием латиницы, целиком или преимущественно набран заглавными буквами или не разбит на предложения.

Пожалуйста, пишите грамотно — комментарии, в которых проявляется пренебрежение правилами и нормами русского языка, могут блокироваться вне зависимости от содержания.

Администрация имеет право без предупреждения заблокировать пользователю доступ к странице в случае систематического нарушения или однократного грубого нарушения участником правил комментирования.

Пользователь может инициировать восстановление своего доступа, написав письмо на адрес электронной почты moderator@rian.ru

В письме должны быть указаны:

  • Тема – восстановление доступа
  • Логин пользователя
  • Объяснения причин действий, которые были нарушением вышеперечисленных правил и повлекли за собой блокировку.

Если модераторы сочтут возможным восстановление доступа, то это будет сделано.

В случае повторного нарушения правил и повторной блокировки доступ пользователю не может быть восстановлен, блокировка в таком случае является полной.

Чтобы связаться с командой модераторов, используйте адрес электронной почты moderator@rian.ru или воспользуйтесь формой обратной связи.

Заявка на размещение пресс-релиза
Компания
Контактное лицо
Контактный телефон или E-mail
Комментарий
Введите код с картинки
Все поля обязательны к заполнению. Услуга предоставляется на коммерческой основе.
Заявка успешно отправлена