Hf2Te2P - das "Silizium" von Quantencomputern?

Anscheinend vergeht kein Tag, an dem niemand über Quantencomputer spricht. Diese Technologie verspricht uns Geräte, die nach dem Prinzip "schneller, höher, stärker" arbeiten, während es immer noch schwierig ist, alle Vor- und Nachteile vollständig zu beschreiben. Die Aussicht auf unglaublich schnelle Datenverarbeitung und Datenübertragung sowie die Speicherung einer großen Datenmenge „im Mohn“ ist jedoch zweifellos attraktiv. Und um solche gewünschten Höhen zu erreichen, ist viel Arbeit erforderlich, denn die neue Technologie besteht aus neuen Prinzipien, neuen Geräten und natürlich neuen Materialien. Klassische Computer, wie sie heute allgemein genannt werden, verwenden Silizium als Grundmaterial. Und was verwenden Quanten? Dies wird in der Studie diskutiert, die wir heute betrachten. Was sind diese neuen Eigenschaften der bereits bekannten Substanz, warum haben sie darauf geachtet und warum wird sie als „Durchbruch“ in der Quantentechnologie bezeichnet? Die Antworten sind in einem Bericht von Wissenschaftlern versteckt. Es bleibt nur, sie zu finden. Lass uns gehen.

Hintergrund und Grundlagen der Forschung

Die Entdeckung topologischer Isolatoren * wurde zu einem großen Anreiz für die erneute Untersuchung verschiedener Substanzen mit dem Wunsch, Eigenschaften zu finden, die für Quantentechnologien in ihnen nützlich sind. Solche Materialien wurden erstmals in den 80er Jahren beschrieben, konnten aber erst im letzten Jahr 2007 gefunden werden.

Topologischer Isolator * (TI) - ein Material, dessen innerer Teil ein Isolator ist und dessen Oberfläche elektrischen Strom leitet.

Diese Materialien veranlassten Wissenschaftler, nicht standardisierte Oberflächenzustände * von Substanzen zu untersuchen, die bereits bekannt und definitiv für Quantencomputer nützlich sind.

Der Oberflächenzustand * ist der elektronische Zustand der Oberfläche eines Festkörpers.

Die für topologische Isolatoren charakteristischen Oberflächenzustände können verschiedene Ursachen haben, beispielsweise eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung * oder den Effekt der Elektronenkorrelation. Wenn Sie den Ursprung solcher Zustände verstehen, können Sie sie auf jeden Fall bei der Umsetzung eines so großen und ehrgeizigen Projekts wie Quantentechnologien verwenden.

Spin-Orbit-Wechselwirkung * - die Wechselwirkung eines sich bewegenden Teilchens und seines eigenen magnetischen Moments, das durch den Spin dieses Teilchens verursacht wird.

Der erste Vertreter von TI war eine Verbindung aus Wismut, Tellur und Schwefel, bekannt als Tetradimit (Bi ₂ Te ₂ S). Der Oberflächenzustand von Tetradimit basierte auf der Spin-Orbit-Wechselwirkung und wurde durch t-Symmetrie * unterstützt .

T-Symmetrie * ist die Symmetrie der Gleichungen in Bezug auf die Zeitumkehr ( dh das Ersetzen der Zeit t durch -t ).

Erwähnenswert sind auch die topologischen Dirac-Halbmetalle wie Cd ₃ As ₂ und Na ₃ Bi. Sie fanden eine Verbindung zwischen dem Valenzband * und dem Leitungsband * an bestimmten diskreten Punkten der Brillouin-Zone * .

Das Valenzband * ist die Energiezone des elektronischen Zustands eines Festkörpers, gefüllt mit Valenzelektronen und verantwortlich für die elektrische Leitfähigkeit des Körpers.

Das Leitungsband * ist das Energieband des elektronischen Zustands eines Festkörpers, der nicht mit Elektronen gefüllt ist.

Wenn Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gelangen, nachdem sie das verbotene Band passiert haben, beginnen sie sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu bewegen, d.h. an der Leitung teilnehmen.

Brillouin Zone *

a) für ein einfaches kubisches Gitter;
b) - für das sechseckige Gitter.

In diesen Materialien gibt es Kristall- und Inversionssymmetrie.

Eine sehr interessante Situation war mit einem anderen Halbmetall verbunden, Tantalarsenid (Weil-Halbmetall). Bereits 1929 formulierte der Deutsche Weil die Bewegungsgleichung für ein nach ihm benanntes masseloses Zweikomponententeilchen. Auf diese Weise sagte der Wissenschaftler die Existenz der sogenannten Weil-Fermion voraus. Bis 2015 war niemand in der Lage, das Weyl-Halbmetall zu erhalten und daher ein von ihm vorhergesagtes Teilchen mit einem Spinwert von einer halben ganzen Zahl zu fixieren. Wenn Röntgen- und Ultraviolettstrahlen durch einen Tantalarsenidkristall geleitet wurden, konnten Wissenschaftler die physikalischen Eigenschaften einer ungewöhnlichen Substanz untersuchen. Es wurden Gitteranregungen entdeckt, die sich als Weyl-Fermionen manifestierten.

Weil Fermionen insofern überraschend sind, als sie im Gegensatz zu Elektronen keiner Rückstreuung unterliegen, wenn ein Teilchen auf ein Hindernis trifft. Weils Partikel passieren einfach ein Hindernis oder fließen um es herum, als ob es für sie überhaupt nicht existiert hätte.

Solche Materialien stoßen bei Wissenschaftlern auf großes Interesse, da sie aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften die Welt der Computertechnologie radikal verändern können.

Wie wir sehen, reichen die oben genannten Materialien für die Implementierung in Quantentechnologien völlig aus. Das Ziel unserer heutigen Helden war es jedoch, nicht nur geeignetes, sondern auch wirklich ideales Material zu finden und mehrere wichtige Eigenschaften gleichzeitig zu kombinieren.

Eine solche Substanz war das Metall Hf ₂ Te ₂ P , in dem topologische fermionische Oberflächenzustände, der Schnittpunkt von Dirac und dem Dirac-Bogen entdeckt wurden. Sehr beeindruckende Mischung in einer Flasche.

Experimentelle Messungen

Das Hauptverfahren zum Identifizieren aller oben genannten war die Photoelektronenspektroskopie mit Winkelauflösung.


Bild Nr. 1: Kristallstruktur und Charakterisierung der Probe Hf ₂ Te ₂ P.

Abbildung 1a zeigt die rhomboedrische Tetradimitkristallstruktur von Hf ₂ Te ₂ P. Quadrate markieren 2 Gruppen der dichtesten fünfschichtigen Atompackung * . Der rote Stern zeigt das Inversionszentrum * an . Die violetten Punkte sind Te (Tellur), die grünen Punkte sind Hf (Hafnium) und die gelben Punkte sind P (Phosphor).


Ein Beispiel für die dichteste Packung von Atomen.

Inversion * ist die Transformation des Raumes, die dem mathematischen Konzept der „Reflexion“ entspricht.

Grafik 1b zeigt die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands, der in einem einzelnen Hf ₂ Te ₂ P-Kristall unter dem Einfluss eines Magnetfelds senkrecht zu dem in der Basisebene der kristallografischen Einheitszelle fließenden Strom gemessen wurde. Die braune Linie ist ein Magnetfeld von 0 T; Die orange Linie ist ein Magnetfeld von 9 T.

Auch in Grafik 1b sehen wir ein Bild eines * Hf ₂ Te ₂ P- Einkristalls , der für diese Studie gezüchtet wurde.

Ein Einkristall * ist ein Einkristall mit einem kontinuierlichen Kristallgitter.

Grafik 1c zeigt die Abhängigkeit des Magnetowiderstands bei verschiedenen Temperaturen in einem Einkristall von Hf ₂ Te ₂ P, wenn der Strom in der Basisebene der kristallographischen Einheitszelle fließt.

Die Projektion der Brillouin-Volumenzone auf die hexagonale Oberfläche derselben Zone des Hf ₂ Te ₂ P-Kristalls, in der Punkte mit hoher Symmetrie markiert sind, ist in Abbildung 1d dargestellt .

Und schließlich zeigt Bild 1e die Ergebnisse der Messung des Kernniveaus von Hf ₂ Te ₂ P. Hier sehen Sie die großen Peaks von Te 4d (Tellur) und Hf 4f (Hafnium), die ein Indikator für die hohe Qualität der Testprobe sind.

Zusätzlich zur Bestimmung mehrerer Dirac-Kegel * am Punkt Γ (Bild 1d ) bei verschiedenen Bindungsenergieniveaus * unterhalb und oberhalb des Fermi-Niveaus * wurde auch ein Dirac-Bogen gefunden, der am Punkt M entlang der GM-Achse in der Ebene des Energieimpulses zentralisiert war.

Dirac Cones *

Fermi-Level * - Erhöhung der Energie des Grundzustands des Systems, wenn 1 Partikel hinzugefügt wird; maximale Fermionenenergie im Grundzustand bei absoluter Nulltemperatur.

Bild Nr. 2: Fermi-Oberfläche und Beobachtung mehrerer Fermionzustände

Die Bilder in Gruppe 2a zeigen verschiedene Fermi-Oberflächen bei verschiedenen Photonenenergieniveaus (80 eV, 90 eV und 100 eV). Weiße gepunktete Linien mit den Nummern 1 und 2 geben die Dispersionsrichtung an.

Die Bilder b bis d zeigen Dispersionskarten, die entlang verschiedener hochsymmetrischer Richtungen bei verschiedenen Photonenenergieniveaus gemessen wurden. Die Daten wurden unter Verwendung der Versuchsstation der Synchrotronstrahlungsquelle * bei einer Temperatur von 18 K (-255,15 ° C) erhalten.

Synchrotronstrahlung * - elektromagnetische Strahlung, die von geladenen Teilchen emittiert wird, die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten entlang von durch ein Magnetfeld gekrümmten Trajektorien bewegen.

Bild Nr. 3: experimentelle Beobachtungen des Dirac-Bogens.

Die Bilder der Gruppe 3a zeigen die Konturen der Oberfläche mit konstanter Energie bei verschiedenen Werten der Bindungsenergie (von 0 bis 1000 meV, Millielektronvolt). Die Fermi-Oberfläche in Form einer Blume mit sechs Blütenblättern ist deutlich sichtbar, was darauf hindeutet, dass eine derart ausgeprägte Dispersion auch in Dirac-Metallmaterial möglich ist. Unten in 3b sind die Konturen konstanter Energie näher am Dirac-Bogen dargestellt.

3c ist eine Dispersionskarte in Richtung von KMK entlang der Schnittrichtung, die für eine Oberfläche mit konstanter Energie bei einem Bindungsenergieniveau von etwa 1000 meV gezeigt wurde.

Bei der Annäherung an eine Nachbesprechung sollten alle in der Probe durch Berechnungen und experimentelle Beobachtungen ermittelten fermionischen Zustände notiert werden.


Bild Nr. 4: mehrere Fermionzustände.

Zusammenfassung

Wie bereits erwähnt, war eine der wichtigsten Beobachtungen die Fermi-Oberfläche in Form einer Blume mit sechs Blütenblättern, was darauf hinweist, dass eine derart ausgeprägte Dispersion auch in Dirac-Metallmaterial möglich ist. Gleich wichtig sind auch Dirac-Kegel mit linearer Dispersion über einen weiten Energiebereich (~ 2,3 eV), der größer ist als der des ZrSiS-Halbmetalls (~ 2 eV).



Es sollte beachtet werden, dass in den bereits gut untersuchten topologischen Isolatoren vom n-Typ Bi ₂ Se ₃ / Bi ₂ Te ₃ ( 5a ) experimentell festgestellt wurde, dass der untere und obere Oberflächenkegel des Dirac ein Fermi-Niveau aufweisen, das viel höher ist als der Dirac-Punkt (der Kontaktpunkt zwischen der Valenz- und der Bandzone) Leitfähigkeit). Im Fall von Sb ₂ Te ₃ , einem Material vom p-Typ, liegt der Dirac-Punkt weit über dem Fermi-Niveau ( 5b ). Bei einigen anderen Materialien besteht ein Kontakt zwischen der Volumenleitfähigkeit und dem Valenzband in einer eindimensionalen Schleife, die durch asymmetrische Symmetrie geschützt ist ( 5c ).

Und all diese drei Phänomene finden sich in einem Material gleichzeitig, in Hf ₂ Te ₂ P ( 5d , 5e ). Bisher konnte sich kein einziges Material eines solchen rühmen.

Um sich mit den Details der Berechnungen und Messungen vertraut zu machen, empfehle ich dringend, den Forscherbericht zu lesen, der unter diesem Link verfügbar ist.

Die Forscher gewährten allen Ankömmlingen Zugang zu zusätzlichen Materialien aus ihrer Arbeit.

Nachwort

Solche Studien können keinesfalls als einfach bezeichnet werden. Quantentechnologie ist im Allgemeinen schwer zu nennen, zumindest für mich. Eine solche kolossale Arbeit kann sich jedoch hundertfach auszahlen, da die zuvor verborgenen Eigenschaften des von Forschern entdeckten bekannten Materials das Spektrum der Möglichkeiten bei der Implementierung von Quantencomputern erweitern können. Die Kombination mehrerer nützlicher Eigenschaften in einem Material kann gegenüber der Komplexität seiner Herstellung von Vorteil sein. Wenn es jemandem nicht gelingt, eine Alternative zu dem oben genannten Material zu finden, wird er möglicherweise zum Rosetta-Technologiestein der Zukunft. Alle diese Studien, obwohl durch experimentelle Messungen und Beobachtungen gestützt, bleiben weitgehend theoretisch. Nur die praktische Implementierung eines Geräts mit solchen Materialien kann uns zu 100% seiner Einzigartigkeit und unglaublichen Nützlichkeit versichern, wie Wissenschaftler sagen. In jedem Fall sollten Sie sich nicht beeilen. Die Welt der Wissenschaft hat noch einen langen Weg vor sich, so dass solche Studien als Entdeckungen der Vergangenheit, die unsere Zukunft beeinflusst haben, in die Geschichte eingehen.

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