Блог

Dec 03, 2023

Открывая квантовые тайны: новый инструмент распутывает слой электронных состояний

Автор: Чикагский университет, 20 мая 2023 г. Новый инструмент распутывает электронные состояния. Фото: Иллюстрация Вуджу Ли и Питера Аллена, исследователей из Чикагского университета, основанного в 1890 году.

Чикагский университет, 20 мая 2023 г.

Новый инструмент распутывает электронные состояния. Фото: Иллюстрация Вуджу Ли и Питера Аллена.

Researchers at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Притцкеровская школа молекулярной инженерии Чикагского университета (PME) создала новый инструмент, который может помочь выявить происхождение электронных состояний в инженерных материалах, прокладывая путь для их использования в будущих приложениях квантовых технологий.

Доцент Шуолун Ян и его команда разработали этот инновационный инструмент для улучшения понимания магнитных топологических изоляторов — материалов с уникальными поверхностными характеристиками, которые могут сыграть решающую роль в развитии квантовых информационных технологий.

С помощью метода, называемого фотоэмиссией в частотной области с кодированием слоев, исследователи посылают два лазерных импульса в многослойный материал. Возникающие в результате вибрации в сочетании с измерением энергии позволяют исследователям собрать воедино «фильм», показывающий, как электроны движутся в каждом слое.

«В нашей повседневной жизни, когда мы хотим лучше понять материал — понять его состав или полый ли он — мы стучим по нему», — сказал Ян. «Это аналогичный подход на микроскопическом уровне. Наша новая техника позволяет нам «стучать и слушать» слоистые материалы, а также показать, что один конкретный магнитный топологический изолятор работает иначе, чем предсказывает теория».

The results were published in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Физика природы.

Понимание слоистых материалов важно, потому что многие ученые-материаловеды сейчас проектируют и создают материалы на атомном уровне в процессе слой за слоем, объединяя два или более материала вместе для создания нового материала. Создание этих материалов с нуля позволяет им создавать материалы с новыми свойствами для будущих технологий.

Когда ученые создали двухслойный магнитный топологический изолятор (MnBi2Te4)(Bi2Te3), объединив магнитный материал с немагнитным материалом, они разработали материал с экзотическими квантовыми свойствами. Электроны движутся по периметру поверхности, сохраняя при этом свою энергию и квантовые свойства. Этот сверхток потенциально может быть использован для передачи информации, хранящейся в кубитах, в будущих квантовых компьютерах.

Поскольку эти слои очень тонкие — порядка нескольких нанометров — традиционные инструменты определения характеристик материалов, такие как спектроскопия, не могут различить слои. Хотя в идеале электроны должны двигаться вокруг поверхности магнитного материала, предыдущие эксперименты, проведенные другими группами, показали, что, возможно, вместо этого они носятся вокруг немагнитного материала.

Чтобы понять, что происходит в двух разных слоях, новый инструмент сначала посылает фемтосекундный (или квадриллионную долю секунды) инфракрасный импульс. Этот короткий импульс заставляет слои вибрировать по-разному в зависимости от их состава. Затем исследователи посылают второй ультрафиолетовый лазерный импульс, который может измерить энергию и импульс электронов в материале. Вместе эти два измерения могут регистрировать движение электронов во времени.