Hf2Te2P - क्वांटम कंप्यूटर का "सिलिकॉन"?

जाहिर है, क्वांटम कंप्यूटर के बारे में बात किए बिना कोई दिन नहीं जाता है। यह तकनीक हमें उन उपकरणों का वादा करती है जो "तेज, उच्चतर, मजबूत" के सिद्धांत पर काम करते हैं, जबकि इसके सभी फायदे और नुकसान का पूरी तरह से वर्णन करना अभी भी मुश्किल है। हालांकि, अविश्वसनीय रूप से तेजी से कंप्यूटिंग और डेटा ट्रांसफर की संभावना, साथ ही साथ "खसखस में" डेटा की एक बड़ी मात्रा को संग्रहीत करना निस्संदेह आकर्षक है। और इस तरह की वांछित ऊंचाइयों को प्राप्त करने के लिए, बहुत काम की जरूरत है, नई तकनीक के लिए नए सिद्धांत, नए उपकरण और निश्चित रूप से, नई सामग्री है। क्लासिक, जैसा कि अब आमतौर पर कहा जाता है, कंप्यूटर नींव सामग्री के रूप में सिलिकॉन का उपयोग करते हैं। और क्वांटम वाले क्या उपयोग करते हैं? इस अध्ययन में चर्चा की जाएगी कि हम आज पर विचार कर रहे हैं। पहले से ज्ञात पदार्थ के ये नए गुण क्या हैं, उन्होंने इस पर ध्यान क्यों दिया, और इसे क्वांटम प्रौद्योगिकियों में "सफलता" क्यों कहा जाता है? इसका जवाब वैज्ञानिकों ने एक रिपोर्ट में छिपाया है। यह केवल उन्हें खोजने के लिए बनी हुई है। चलो चलते हैं।

पृष्ठभूमि और अनुसंधान का आधार

टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की खोज * उन में क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए उपयोगी गुणों को खोजने की इच्छा के साथ विभिन्न पदार्थों के पुन: अध्ययन के लिए एक बड़ी उत्तेजना बन गई। ऐसी सामग्रियों को पहले 80 के दशक में वापस वर्णित किया गया था, लेकिन वे वास्तव में केवल हाल के 2007 में पाए गए थे।

टोपोलॉजिकल इंसुलेटर * (TI) - एक ऐसी सामग्री जिसका आंतरिक हिस्सा एक इन्सुलेटर है, और सतह एक विद्युत प्रवाह का संचालन करती है।

इन सामग्रियों ने वैज्ञानिकों को पहले से ज्ञात पदार्थों की गैर-मानक सतह राज्यों * की जांच करने के लिए प्रेरित किया और क्वांटम कंप्यूटरों के लिए निश्चित रूप से उपयोगी है।

सतह अवस्था * एक ठोस की सतह का इलेक्ट्रॉनिक राज्य है।

सतह ने कहा कि टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की विशेषता में विभिन्न उत्पत्ति हो सकती हैं, उदाहरण के लिए, मजबूत स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन * या इलेक्ट्रॉन सहसंबंध का प्रभाव। किसी भी मामले में, यदि आप ऐसे राज्यों की उत्पत्ति को समझते हैं, तो आप उन्हें बड़े पैमाने पर और महत्वाकांक्षी परियोजना के कार्यान्वयन में क्वांटम प्रौद्योगिकियों के रूप में उपयोग कर सकते हैं।

स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन * - इस कण के स्पिन के कारण एक गतिशील कण और अपने स्वयं के चुंबकीय क्षण की बातचीत।

टीआई का पहला प्रतिनिधि बिस्मथ, टेल्यूरियम और सल्फर का एक यौगिक था, जिसे टेट्राडिमाइट (बीआई ₂ टी ₂ एस) के रूप में जाना जाता है। टेट्राडिमाइट की सतह की स्थिति स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन पर आधारित थी और टी-समरूपता * द्वारा समर्थित थी।

टी-समरूपता * समय उलट (यानी, समय टी -t के प्रतिस्थापन) के संबंध में समीकरणों की समरूपता है।

यह टोपिकल डीरेक सेमीमीटर जैसे कि Cd ₃ As ₂ और Na ₃ Bi का भी उल्लेख करने योग्य है। उन्हें ब्रिलिन ज़ोन * के कुछ असतत बिंदुओं पर वैलेंस बैंड और कंडक्शन बैंड * के बीच एक संबंध मिला।

वैलेन्स बैंड * एक ठोस के इलेक्ट्रॉनिक राज्य का ऊर्जा क्षेत्र है, जो वैलेन्स इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है और शरीर की विद्युत चालकता के लिए जिम्मेदार होता है।

चालन बैंड * एक ठोस की इलेक्ट्रॉनिक अवस्था का ऊर्जा बैंड है जो इलेक्ट्रॉनों से भरा नहीं है।

जब वैलेंस बैंड के इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में गुजरते हैं, तो निषिद्ध बैंड को पारित करने के बाद, वे एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में चलना शुरू करते हैं, अर्थात। चालन में भाग लें।

ब्रिलिन जोन *

क) एक साधारण घन जाली के लिए;
बी) - हेक्सागोनल ग्रिड के लिए।

इन सामग्रियों में, क्रिस्टलीय और उलटा समरूपता है।

एक बहुत ही रोचक स्थिति एक और सेमीमीटर, टैंटलम आर्सेनाइड (वेइल सेमीमेटल) से जुड़ी थी। 1929 की शुरुआत में, जर्मन वेल ने एक बड़े पैमाने पर दो-घटक कण के लिए गति का समीकरण तैयार किया, जिसका नाम उनके नाम पर रखा गया। ऐसा करने से, वैज्ञानिक ने तथाकथित वील फर्मियन के अस्तित्व की भविष्यवाणी की। 2015 तक, कोई भी वीइल सेमीमीटर को प्राप्त करने में सक्षम नहीं था, और इसलिए उसके द्वारा अनुमानित एक कण को ​​आधा-पूर्णांक स्पिन मान के साथ ठीक करना था। जब एक्स-रे और पराबैंगनी किरणों को एक टैंटलम आर्सेनाइड क्रिस्टल के माध्यम से पारित किया गया था, तो वैज्ञानिक एक असामान्य पदार्थ के भौतिक गुणों का अध्ययन करने में सक्षम थे। जाली उत्तेजना, खुद को वीयल के रूप में प्रकट करते हुए खोज की गई।

वेइल फ़र्मियन आश्चर्यचकित हैं, इलेक्ट्रॉनों के विपरीत, वे एक कण बाधा का सामना करने पर बैकस्केटिंग के अधीन नहीं होते हैं। वेइल के कण केवल एक बाधा से गुजरते हैं या बहते हैं, जैसे कि यह उनके लिए बिल्कुल भी मौजूद नहीं है।

ऐसी सामग्री वैज्ञानिकों की गहरी रुचि का कारण बनती है, क्योंकि वे अपने असाधारण गुणों के कारण कंप्यूटर प्रौद्योगिकी की दुनिया को मौलिक रूप से बदल सकते हैं।

जैसा कि हम देखते हैं, उपरोक्त सामग्री क्वांटम प्रौद्योगिकियों में कार्यान्वयन के लिए पर्याप्त हैं। हालांकि, आज हमारे नायकों का लक्ष्य न केवल उपयुक्त सामग्री ढूंढना था, बल्कि वास्तव में आदर्श था, एक साथ कई महत्वपूर्ण गुणों का संयोजन।

ऐसा पदार्थ धातु Hf ₂ Te ₂ P था , जिसमें टोपोलॉजिकल फर्मीओनिक सतह की अवस्थाएं, डायराक के चौराहे और डायक आर्क की खोज की गई थी। एक बोतल में बहुत प्रभावशाली मिश्रण।

प्रायोगिक माप

उपरोक्त सभी की पहचान करने के लिए मुख्य विधि कोणीय रिज़ॉल्यूशन फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी थी।


छवि नंबर 1: क्रिस्टल संरचना और नमूना का लक्षण वर्णन Hf ₂ Te ₂ P।

चित्रा 1 ए में Hf ₂ Te ₂ P. स्क्वायर के rhombohedral tetradimite क्रिस्टल संरचना को दर्शाया गया है। घनीभूत पांच-परत परमाणु पैकिंग * के 2 समूहों को चिह्नित किया गया है। लाल तारा उलटा * के केंद्र को इंगित करता है। वायलेट डॉट्स ते (टेल्यूरियम) हैं, हरे रंग के डॉट्स एचएफ (हेफ़नियम) हैं, और पीले डॉट्स पी (फॉस्फोरस) हैं।


परमाणुओं की घनी पैकिंग का एक उदाहरण।

व्युत्क्रम * "परावर्तन" की गणितीय अवधारणा के बराबर स्थान का परिवर्तन है।

ग्राफ 1 बी एक चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत विद्युत प्रवाह के प्रभाव के तहत एक एकल एचएफ ₂ ते ₂ पी क्रिस्टल में मापा गया विद्युत प्रतिरोध का तापमान निर्भरता दर्शाता है जो क्रिस्टलोग्राफिक यूनिट सेल के बेसल विमान में बहती है। भूरी रेखा 0 टी का एक चुंबकीय क्षेत्र है; नारंगी रेखा 9 T का एक चुंबकीय क्षेत्र है।

इसके अलावा ग्राफ 1 बी पर हम इस अध्ययन के लिए विकसित * एचएफ ₂ टी ₂ पी सिंगल क्रिस्टल की छवि देखते हैं।

एक एकल क्रिस्टल * एक निरंतर क्रिस्टल जाली के साथ एक एकल क्रिस्टल है।

ग्राफ 1c , Hf ₂ Te ₂ P के एकल क्रिस्टल में विभिन्न तापमानों पर मैग्नेटोरेसिस्टेंस की निर्भरता को दर्शाता है, जब क्रिस्टलोग्राफिक यूनिट सेल के बेसल प्लेन में करंट प्रवाहित होता है।

Hf ₂ Te ₂ P क्रिस्टल के उसी ज़ोन की हेक्सागोनल सतह पर ब्रिल्लिन वॉल्यूम ज़ोन का प्रक्षेपण, जहाँ उच्च समरूपता के बिंदु चिह्नित हैं, चित्र 1d में दिखाया गया है।

और अंत में, छवि 1e , Hf ₂ Te ₂ P के मूल के स्तर को मापने के परिणामों को दर्शाता है। यहाँ आप Te 4d (टेल्यूरियम) और Hf 4f (हैफेनियम) की बड़ी चोटियों को देख सकते हैं, जो परीक्षण नमूने की उच्च गुणवत्ता का एक संकेतक है।

कई डायराक शंकु के निर्धारण के अलावा * बिंदु image (छवि 1d ) पर बाध्यकारी ऊर्जा के विभिन्न स्तरों पर * नीचे और ऊपर फर्मी स्तर * पर , एक डीरेक चाप भी पाया गया था, जो ऊर्जा पल्स के विमान में जीएम अक्ष के साथ बिंदु एम पर केंद्रीकृत था।

डीरेक शंकु *

फर्मी स्तर * - सिस्टम की जमीनी स्थिति की ऊर्जा में वृद्धि जब 1 कण जोड़ा जाता है; पूर्ण शून्य तापमान पर जमीनी अवस्था में अधिकतम फ़र्मियन ऊर्जा।

छवि नंबर 2: फर्मी सतह और कई फ़र्मियन राज्यों का अवलोकन

समूह 2a की छवियां फोटॉन ऊर्जा (80 eV, 90 eV और 100 VV) के विभिन्न स्तरों पर अलग-अलग फ़र्मी सतहों को दिखाती हैं। सफेद बिंदीदार रेखाओं की संख्या 1 और 2 फैलाव की दिशा को दर्शाती है।

इमेजेज बी, डी शो फैलाव मानचित्रों के माध्यम से फोटॉन ऊर्जा के विभिन्न स्तरों पर विभिन्न उच्च सममित दिशाओं के साथ मापा जाता है। डेटा 18 K (-255.15 डिग्री सेल्सियस) के तापमान पर सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत * के प्रायोगिक स्टेशन का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।

सिंक्रोट्रॉन विकिरण * - विद्युत चुम्बकीय विकिरण जो एक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा घुमावदार प्रक्षेपवक्रों के साथ सापेक्ष गति से चलते हुए आवेशित कणों द्वारा उत्सर्जित होता है।

चित्र संख्या 3: डायक आर्क के प्रयोगात्मक अवलोकन।

समूह 3 ए की छवियां बाध्यकारी ऊर्जा के विभिन्न मूल्यों (0 से 1000 meV, मिलीलेरॉन-वोल्ट) पर निरंतर-ऊर्जा सतह के आकृति को दिखाती हैं। छह पंखुड़ियों वाले फूल के रूप में फर्मी की सतह स्पष्ट रूप से दिखाई देती है, जो बताती है कि इस तरह के एक स्पष्ट फैलाव डायराक धातु सामग्री में भी संभव है। नीचे, 3 बी पर, निरंतर ऊर्जा के समोच्च डायराक चाप के करीब दिखाए गए हैं।

धारा सी दिशा के साथ KMC की दिशा में 3c एक फैलाव मानचित्र है, जो लगभग 1000 meV के बाध्यकारी ऊर्जा स्तर पर एक निरंतर-ऊर्जा सतह के लिए प्रकट होता है।

एक डीब्रीफिंग को स्वीकार करते हुए, यह गणना और प्रयोगात्मक टिप्पणियों के माध्यम से नमूने में निर्धारित सभी फ़ेरोमेनिक राज्यों को ध्यान देने योग्य है।


छवि नंबर 4: कई fermion राज्यों।

संक्षेप

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, सबसे महत्वपूर्ण अवलोकनों में छह पंखुड़ियों के साथ एक फूल के रूप में फर्मी सतह थी, जो यह दर्शाता है कि डायराक धातु सामग्री में भी ऐसा स्पष्ट फैलाव संभव है। एक व्यापक ऊर्जा रेंज (~ 2.3 eV) पर रैखिक फैलाव के साथ डायक शंकु भी समान महत्व के हैं, जो कि ZrSiS सेमीमीटर (~ 2 eV) से अधिक है।



यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि पहले से ही अच्छी तरह से अध्ययन किए गए एन-टाइप टॉपोलॉजिकल इंसुलेटर बी ₂ एस ₃ / बी ₂ टी ₃ ( 5 ए ) में यह प्रायोगिक रूप से पाया गया था कि डायक की निचली और ऊपरी सतह के शंकु में डीरेक बिंदु (वैलेंस और बैंड ज़ोन के बीच संपर्क का बिंदु) की तुलना में बहुत अधिक है। चालकता)। S _{2 2} Te ₃ के मामले में, एक पी-प्रकार की सामग्री, डायक बिंदु फर्मी स्तर ( 5% ) से ऊपर स्थित है। कुछ अन्य सामग्रियों में, असममित समरूपता ( 5 सी ) द्वारा संरक्षित एक आयामी लूप में बल्क चालकता और वैलेंस बैंड के बीच एक संपर्क होता है।

और ये सभी तीन घटनाएँ एक ही बार में, Hf ₂ Te ₂ P ( 5d , 5e ) में एक सामग्री में पाई जाती हैं। अब तक, एक भी सामग्री इस तरह का दावा नहीं कर सकती थी।

गणना और माप के विवरण से परिचित होने के लिए, मैं इस लिंक पर उपलब्ध शोधकर्ताओं की रिपोर्ट को पढ़ने की अत्यधिक सलाह देता हूं।

शोधकर्ताओं ने सभी कामर्स को अपने काम से अतिरिक्त सामग्रियों तक पहुंच प्रदान की।

उपसंहार

इस तरह के अध्ययन को सरल नहीं कहा जा सकता है। क्वांटम तकनीक आम तौर पर प्रकाश को कॉल करना मुश्किल है, कम से कम मेरे लिए। हालांकि, इस तरह के एक विशाल कार्य सौ गुना में भुगतान कर सकते हैं, क्योंकि शोधकर्ताओं द्वारा खोजी गई ज्ञात सामग्री के पहले से छिपे हुए गुण क्वांटम कंप्यूटर के कार्यान्वयन में संभावनाओं की सीमा का विस्तार कर सकते हैं। एक सामग्री में कई उपयोगी गुणों का संयोजन इसके निर्माण की जटिलता पर एक फायदा हो सकता है। शायद अगर कोई उपरोक्त सामग्री का विकल्प खोजने का प्रबंधन नहीं करता है, तो वह भविष्य का रोसेटा प्रौद्योगिकी पत्थर बन सकता है। ये सभी अध्ययन, हालांकि प्रयोगात्मक माप और टिप्पणियों द्वारा समर्थित हैं, अभी भी काफी हद तक सैद्धांतिक हैं। ऐसी सामग्री का उपयोग करने वाले किसी भी उपकरण का केवल व्यावहारिक कार्यान्वयन 100% हमें इसकी विशिष्टता और अविश्वसनीय उपयोगिता का आश्वासन दे सकता है, जैसा कि वैज्ञानिक कहते हैं। किसी भी मामले में, आपको जल्दी नहीं करना चाहिए। विज्ञान की दुनिया में अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना है ताकि इस तरह के अध्ययन इतिहास में नीचे चले जाएं क्योंकि अतीत की खोजों ने हमारे भविष्य को प्रभावित किया है।

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