Aparentemente, no pasa un día sin que alguien hable de computadoras cuánticas. Esta tecnología nos promete dispositivos que funcionan según el principio de "más rápido, más alto, más fuerte", mientras que todavía es difícil describir completamente todas sus ventajas y desventajas. Sin embargo, la posibilidad de una transferencia de datos y computación increíblemente rápida, así como el almacenamiento de una gran cantidad de datos "en la semilla de amapola" es indudablemente atractiva. Y para alcanzar las alturas deseadas, se necesita mucho trabajo, ya que la nueva tecnología son nuevos principios, nuevos dispositivos y, por supuesto, nuevos materiales. Clásico, como ahora se le llama comúnmente, las computadoras usan silicio como material de base. ¿Y qué usan los cuánticos? Esto se discutirá en el estudio que estamos considerando hoy. ¿Cuáles son estas nuevas propiedades de la sustancia ya conocida, por qué le prestaron atención y por qué se llama un "avance" en las tecnologías cuánticas? Las respuestas están ocultas en un informe de los científicos. Solo queda encontrarlos. Vamos
Antecedentes y bases de la investigación.El descubrimiento de
aislantes topológicos * se convirtió en un gran estímulo para volver a estudiar varias sustancias con el deseo de encontrar propiedades útiles para las tecnologías cuánticas en ellas. Dichos materiales se describieron por primera vez en los años 80, pero realmente solo se pudieron encontrar en el reciente 2007.
Aislador topológico * (TI) : un material cuya parte interna es un aislante y la superficie conduce una corriente eléctrica.
Estos materiales llevaron a los científicos a investigar
estados de superficie * no estándar
* de sustancias ya conocidas y definitivamente útiles para computadoras cuánticas.
El estado de la superficie * es el estado electrónico de la superficie de un sólido.
Los estados de superficie característicos de los aislantes topológicos pueden tener diversos orígenes, por ejemplo, una fuerte
interacción espín-órbita * o el efecto de la correlación electrónica. En cualquier caso, si comprende el origen de tales estados, puede usarlos en la implementación de un proyecto tan ambicioso y a gran escala como las tecnologías cuánticas.
Interacción giro-órbita * : la interacción de una partícula en movimiento y su propio momento magnético causado por el giro de esta partícula.
El primer representante de TI fue un compuesto de bismuto, teluro y azufre, conocido como tetradimita (Bi
2 Te
2 S). El estado de la superficie de la tetradimita se basó en la interacción espín-órbita y fue respaldado por
la simetría t * .
La simetría T * es la simetría de las ecuaciones con respecto a la inversión del tiempo (es decir, la sustitución del tiempo t por -t ).
También vale la pena mencionar los semimetales topológicos de Dirac, como Cd
3 As
2 y Na
3 Bi. Encontraron una conexión entre
la banda de valencia * y
la banda de conducción * en ciertos puntos discretos de
la zona de Brillouin * .
La banda de valencia * es la zona de energía del estado electrónico de un sólido, lleno de electrones de valencia y responsable de la conductividad eléctrica del cuerpo.
La banda de conducción * es la banda de energía del estado electrónico de un sólido que no está lleno de electrones.
Cuando los electrones de la banda de valencia pasan a la banda de conducción, después de pasar la banda prohibida, comienzan a moverse bajo la influencia de un campo eléctrico, es decir. participar en la conducción
Zona Brillouin *
a) para una simple red cúbica;
b) - para la cuadrícula hexagonal.
En estos materiales, hay simetría cristalina y de inversión.
Una situación muy interesante se asoció con otro semimetal, el arseniuro de tantalio (Weil semimetal). Ya en 1929, German Weil formuló la ecuación de movimiento para una partícula de dos componentes sin masa, que lleva su nombre. Al hacer esto, el científico predijo la existencia del llamado fermión de Weil. Hasta 2015, nadie podía obtener el semimetal de Weyl y, por lo tanto, arreglar una partícula predicha por él con un valor de giro de medio entero. Cuando los rayos X y los rayos ultravioleta pasaron a través de un cristal de arseniuro de tantalio, los científicos pudieron estudiar las propiedades físicas de una sustancia inusual. Se descubrieron excitaciones de celosía, que se manifiestan como fermiones de Weyl.
Los fermiones de Weil son sorprendentes porque, a diferencia de los electrones, no están sujetos a retrodispersión cuando una partícula encuentra un obstáculo. Las partículas de Weil simplemente pasan o fluyen alrededor de un obstáculo, como si no existiera para ellos en absoluto.
Dichos materiales causan un gran interés por parte de los científicos, ya que pueden cambiar radicalmente el mundo de la tecnología informática debido a sus extraordinarias propiedades.
Como vemos, los materiales anteriores son suficientes para la implementación en tecnologías cuánticas. Sin embargo, el objetivo de nuestros héroes de hoy era encontrar no solo material adecuado, sino también ideal, combinando varias propiedades importantes a la vez.
Tal sustancia era el metal
Hf 2 Te 2 P , en el cual se descubrieron estados de superficie fermiónica topológica, la intersección de Dirac y el arco de Dirac. Mezcla muy impresionante en una botella.
Mediciones experimentalesEl método principal para identificar todo lo anterior fue la espectroscopía de fotoelectrones de resolución angular.
Imagen No. 1: Estructura cristalina y caracterización de la muestra Hf 2 Te 2 P.La Figura
1a muestra la estructura cristalina romboédrica de tetradimita de Hf
2 Te
2 P. Los cuadrados marcan 2 grupos del
relleno de átomos de cinco capas más denso
* . La estrella roja indica el centro de
inversión * . Los puntos violetas son
Te (telurio), los puntos verdes son
Hf (hafnio) y los puntos amarillos son
P (fósforo).
Un ejemplo de la acumulación más densa de átomos.La inversión * es la transformación del espacio equivalente al concepto matemático de "reflexión".
El gráfico
1b muestra la dependencia de la temperatura de la resistencia eléctrica medida en un solo cristal Hf
2 Te
2 P bajo la influencia de un campo magnético perpendicular a la corriente que fluye en el plano basal de la celda unitaria cristalográfica. La línea marrón es un campo magnético de 0 T; la línea naranja es un campo magnético de 9 T.
También en el gráfico
1b vemos una imagen de un
* Hf
2 Te
2 P
monocristal crecido para este estudio.
Un solo cristal * es un solo cristal con una red cristalina continua.
El gráfico
1c muestra la dependencia de la magnetorresistencia a diferentes temperaturas en un solo cristal de Hf
2 Te
2 P, cuando la corriente fluye en el plano basal de la celda unitaria cristalográfica.
La proyección de la zona de volumen de Brillouin sobre la superficie hexagonal de la misma zona del cristal Hf
2 Te
2 P, donde se marcan puntos de alta simetría, se muestra en la Figura
1d .
Y finalmente, la imagen
1e muestra los resultados de medir el nivel del núcleo de Hf
2 Te
2 P. Aquí puede ver los picos grandes de Te 4d (telurio) y Hf 4f (hafnio), que es un indicador de la alta calidad de la muestra de prueba.
Además de la determinación de varios
conos de Dirac * en el punto Γ (imagen
1d ) en varios niveles de energía de unión * por debajo y por encima
del nivel de Fermi * , también se encontró un arco de Dirac, que se centralizó en el punto M a lo largo del eje GM en el plano del pulso de energía.
Conos de Dirac *
Nivel de Fermi * : aumento de la energía del estado fundamental del sistema cuando se agrega 1 partícula; Energía máxima de fermión en el estado fundamental a temperatura cero absoluta.
Imagen No. 2: superficie de Fermi y observación de múltiples estados de fermionesLas imágenes del grupo
2a muestran diferentes superficies de Fermi a diferentes niveles de energía fotónica (80 eV, 90 eV y 100 eV). Las líneas punteadas blancas numeradas 1 y 2 indican la dirección de dispersión.
Las imágenes
b a
d muestran mapas de dispersión medidos a lo largo de varias direcciones altamente simétricas a diferentes niveles de energía fotónica. Los datos se obtuvieron utilizando la estación experimental de la
fuente de radiación sincrotrón * a una temperatura de 18 K (-255,15 ° C).
Radiación sincrotrón * : radiación electromagnética emitida por partículas cargadas que se mueven con velocidades relativistas a lo largo de trayectorias curvadas por un campo magnético.
Imagen No. 3: observaciones experimentales del arco de Dirac.Las imágenes del grupo
3a muestran los contornos de la superficie de energía constante a varios valores de la energía de unión (de 0 a 1000 meV, milielectron-voltios). La superficie de Fermi en forma de una flor con seis pétalos es claramente visible, lo que sugiere que una dispersión tan pronunciada es posible incluso en el material metálico Dirac. A continuación, en
3b , los contornos de energía constante se muestran más cerca del arco de Dirac.
3c es un mapa de dispersión en la dirección de KMK a lo largo de la dirección de la sección, revelado para una superficie de energía constante a un nivel de energía de unión de aproximadamente 1000 meV.
Al acercarse a un informe, vale la pena señalar todos los estados fermiónicos determinados en la muestra a través de cálculos y observaciones experimentales.
Imagen No. 4: múltiples estados fermiónicos.ResumenComo ya se mencionó, una de las observaciones más importantes fue la superficie de Fermi en forma de una flor con seis pétalos, lo que indica que una dispersión tan pronunciada es posible incluso en el material metálico Dirac. Los conos de Dirac con dispersión lineal en un amplio rango de energía (~ 2.3 eV) también tienen la misma importancia, que es mayor que la del semimetal ZrSiS (~ 2 eV).
Cabe señalar que en los aislantes topológicos de tipo n ya estudiados Bi
2 Se
3 / Bi
2 Te
3 (
5a ) se descubrió experimentalmente que los conos de la superficie inferior y superior del Dirac tienen un nivel de Fermi mucho más alto que el punto de Dirac (el punto de contacto entre las zonas de valencia y banda). conductividad). En el caso de Sb
2 Te
3 , un material de tipo p, el punto de Dirac se encuentra muy por encima del nivel de Fermi (
5b ). En algunos otros materiales, existe un contacto entre la conductividad aparente y la banda de valencia en un bucle unidimensional protegido por simetría asimétrica (
5c ).
Y todos estos tres fenómenos se encuentran en un material a la vez, en Hf
2 Te
2 P (
5d ,
5e ). Hasta ahora, ni un solo material podría presumir de tal.
Para familiarizarse con los detalles de los cálculos y mediciones, recomiendo leer el informe de los investigadores, disponible en este enlace.Los investigadores también proporcionaron acceso para todos los asistentes a materiales adicionales de su trabajo.EpílogoTales estudios de ninguna manera pueden llamarse simples. La tecnología cuántica es generalmente difícil de llamar luz, al menos para mí. Sin embargo, un trabajo tan colosal puede rendir cien veces, ya que las propiedades previamente ocultas del material conocido descubierto por los investigadores pueden ampliar el rango de posibilidades en la implementación de computadoras cuánticas. La combinación de varias propiedades útiles en un material puede ser una ventaja sobre la complejidad de su fabricación. Quizás si alguien no logra encontrar una alternativa al material anterior, puede convertirse en la piedra de la tecnología Rosetta del futuro. Todos estos estudios, aunque respaldados por mediciones y observaciones experimentales, siguen siendo en gran medida teóricos. Solo la implementación práctica de cualquier dispositivo que utilice dichos materiales puede asegurarnos al 100% su singularidad y su increíble utilidad, como dicen los científicos. En cualquier caso, no debes apresurarte. El mundo de la ciencia todavía tiene un largo camino por recorrer para que tales estudios pasen a la historia como descubrimientos del pasado que han afectado nuestro futuro.
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