Новый искусственный материал имитирует квантово-запутанные соединения редкоземельных элементов

 

Этот сравнительно простой в изготовлении материал, не содержащий редкоземельных металлов, может предоставить новую платформу для квантовых вычислений и продвинуть исследования нетрадиционной сверхпроводимости и квантовой критичности.

Физики создали новый ультратонкий двухслойный материал с квантовыми свойствами, для которого обычно требуются редкоземельные соединения. Предоставлено: Хейкка Валя.

Исследователи показали, что, исходя из, казалось бы, обычных материалов, может возникнуть радикально новое квантовое состояние материи. Открытие стало результатом их усилий по созданию квантовой спиновой жидкости, которую они могли использовать для исследования возникающих квантовых явлений, таких как калибровочная теория. Это включает изготовление одного слоя атомарно тонкого дисульфида тантала, но в процессе также создаются островки, состоящие из двух слоев.

Когда команда исследовала эти острова, они обнаружили, что взаимодействие между двумя слоями вызывает явление, известное как эффект Кондо, приводящее к макроскопически запутанному состоянию вещества, производящему систему с тяжелыми фермионами.

Эффект Кондо — это взаимодействие между магнитными примесями и электронами, которое вызывает изменение электрического сопротивления материала в зависимости от температуры. Это приводит к тому, что электроны ведут себя так, как будто они имеют большую массу, что приводит к тому, что эти соединения называются материалами с тяжелыми фермионами. Это явление характерно для материалов, содержащих редкоземельные элементы.

Материалы с тяжелыми фермионами важны в нескольких областях передовой физики, включая исследования квантовых материалов. «Изучение сложных квантовых материалов затруднено из-за свойств природных соединений. Наша цель — производить искусственные дизайнерские материалы, которые можно легко настраивать и контролировать извне, чтобы расширить диапазон экзотических явлений, которые могут быть реализованы в лаборатории », — говорит профессор Питер Лильерот.

Например, материалы с тяжелыми фермионами могут действовать как топологические сверхпроводники, которые могут быть полезны для создания кубитов, более устойчивых к шуму и возмущениям окружающей среды, что снижает частоту ошибок в квантовых компьютерах. «Создание этого в реальной жизни принесло бы огромную пользу, если бы система тяжелых фермионов могла быть легко встроена в электрические устройства и настраивалась извне», — объясняет Вилиам Вано, докторант в группе Лильерота и ведущий автор статьи.

Хотя оба слоя в новом материале представляют собой сульфид тантала, есть небольшие, но важные различия в их свойствах. Один слой ведет себя как металл, проводя электроны, в то время как другой слой имеет структурное изменение, которое приводит к локализации электронов в регулярной решетке. Комбинация этих двух результатов приводит к появлению физики тяжелых фермионов, которую ни один из слоев не проявляет сам по себе.

Этот новый тяжелый фермионный материал также предлагает мощный инструмент для исследования квантовой критичности. «Материал может достичь квантово-критической точки, когда он начинает переходить из одного коллективного квантового состояния в другое, например, от обычного магнита к запутанному тяжелому фермионному материалу», — объясняет профессор Хосе Ладо. «Между этими состояниями вся система имеет решающее значение, она сильно реагирует на малейшие изменения и обеспечивает идеальную платформу для создания еще более экзотической квантовой материи».

«В будущем мы изучим, как система реагирует на вращение каждого листа относительно другого, и попытаемся изменить связь между слоями, чтобы настроить материал на квантовое критическое поведение», — говорит Лильерот.

 

⏬