Hf2Te2P - o "silício" dos computadores quânticos?

Aparentemente, não passa um dia sem alguém falar sobre computadores quânticos. Essa tecnologia nos promete dispositivos que funcionam com o princípio de "mais rápido, mais alto, mais forte", embora ainda seja difícil descrever completamente todas as suas vantagens e desvantagens. No entanto, a perspectiva de computação e transferência de dados incrivelmente rápidas, além de armazenar uma enorme quantidade de dados "na semente de papoula" é sem dúvida atraente. E para atingir tais alturas desejadas, é necessário muito trabalho, pois a nova tecnologia inclui novos princípios, novos dispositivos e, é claro, novos materiais. Os computadores clássicos, como agora é comumente chamados, usam o silício como material de base. E o que os quânticos usam? Isso será discutido no estudo que estamos considerando hoje. Quais são essas novas propriedades da substância já conhecida, por que elas prestaram atenção e por que é chamada de "avanço" nas tecnologias quânticas? As respostas estão escondidas em um relatório de cientistas. Resta apenas encontrá-los. Vamos lá

Antecedentes e base da pesquisa

A descoberta de isoladores topológicos * se tornou um grande estímulo para o re-estudo de várias substâncias com o desejo de encontrar propriedades úteis para as tecnologias quânticas nelas. Tais materiais foram descritos pela primeira vez na década de 80, mas só foram encontrados apenas no recente ano de 2007.

Isolador topológico * (TI) - um material cuja parte interna é um isolador e a superfície conduz uma corrente elétrica.

Esses materiais levaram os cientistas a investigar estados superficiais não padronizados * de substâncias já conhecidas e definitivamente úteis para computadores quânticos.

O estado da superfície * é o estado eletrônico da superfície de um sólido.

Os estados de superfície característicos dos isoladores topológicos podem ter várias origens, por exemplo, forte interação spin-órbita * ou o efeito da correlação eletrônica. De qualquer forma, se você entender a origem de tais estados, poderá usá-los na implementação de um projeto tão amplo e ambicioso como as tecnologias quânticas.

Interação spin-órbita * - a interação de uma partícula em movimento e seu próprio momento magnético causado pela rotação dessa partícula.

O primeiro representante da TI foi um composto de bismuto, telúrio e enxofre, conhecido como tetradimita (Bi ₂ Te ₂ S). O estado superficial da tetradimita foi baseado na interação spin-órbita e foi suportado pela t-simetria * .

Simetria T * é a simetria das equações em relação à reversão do tempo (ou seja, a substituição do tempo t por -t ).

Também vale mencionar os semimetais topológicos de Dirac, como Cd ₃ As ₂ e Na ₃ Bi. Eles encontraram uma conexão entre a banda de valência * e a banda de condução * em certos pontos discretos da zona de Brillouin * .

A faixa de valência * é a zona de energia do estado eletrônico de um sólido, preenchido com elétrons de valência e responsável pela condutividade elétrica do corpo.

A banda de condução * é a banda de energia do estado eletrônico de um sólido que não é preenchido com elétrons.

Quando os elétrons da banda de valência passam para a banda de condução, tendo passado a banda proibida, eles começam a se mover sob a influência de um campo elétrico, ou seja, participar na condução.

Zona de Brillouin *

a) para uma rede cúbica simples;
b) - para a grade hexagonal.

Nesses materiais, há simetria cristalina e de inversão.

Uma situação muito interessante foi associada a outro arseneto de tântalo semimetal (Weil semimetal). Já em 1929, o alemão Weil formulou a equação do movimento para uma partícula de dois componentes sem massa, em homenagem a ele. Ao fazer isso, o cientista previu a existência do chamado fermion de Weil. Até 2015, ninguém era capaz de obter o semimetal de Weyl e, portanto, fixar uma partícula prevista por ele com um valor de centrifugação meio inteiro. Quando os raios X e os raios ultravioletas foram passados ​​através de um cristal de arseneto de tântalo, os cientistas puderam estudar as propriedades físicas de uma substância incomum. Excitações de treliça, manifestando-se como férmions de Weyl, foram descobertas.

Os férmions de Weil são surpreendentes, pois, diferentemente dos elétrons, eles não estão sujeitos a retrodispersão quando uma partícula encontra um obstáculo. As partículas de Weil simplesmente passam através ou fluem em torno de um obstáculo, como se não existisse para elas.

Tais materiais causam o grande interesse dos cientistas, pois podem mudar radicalmente o mundo da tecnologia de computadores devido a suas propriedades extraordinárias.

Como vemos, os materiais acima são suficientes para a implementação em tecnologias quânticas. No entanto, o objetivo de nossos heróis hoje era encontrar não apenas material adequado, mas realmente ideal, combinando várias propriedades importantes ao mesmo tempo.

Tal substância foi o metal Hf ₂ Te ₂ P , no qual foram descobertos os estados topológicos da superfície fermiônica, a interseção de Dirac e o arco de Dirac. Mistura muito impressionante em uma garrafa.

Medições experimentais

O principal método para identificar todos os itens acima foi espectroscopia de fotoelétron de resolução angular.


Imagem No. 1: Estrutura cristalina e caracterização da amostra Hf ₂ Te ₂ P.

A Figura 1a mostra a estrutura cristalina romboédrica de tetradimita de Hf ₂ Te ₂ P. Os quadrados marcam 2 grupos do denso empacotamento de átomos de cinco camadas * . A estrela vermelha indica o centro de inversão * . Os pontos violetas são Te (telúrio), os verdes são Hf (háfnio) e os amarelos são P (fósforo).


Um exemplo do empacotamento mais denso de átomos.

Inversão * é a transformação do espaço equivalente ao conceito matemático de "reflexão".

O gráfico 1b mostra a dependência da temperatura da resistência elétrica medida em um único cristal Hf ₂ Te ₂ P sob a influência de um campo magnético perpendicular à corrente que flui no plano basal da célula da unidade cristalográfica. A linha marrom é um campo magnético de 0 T; a linha laranja é um campo magnético de 9 T.

Também no gráfico 1b , vemos uma imagem de um cristal único * Hf ₂ Te ₂ P cultivado para este estudo.

Um único cristal * é um único cristal com uma rede cristalina contínua.

O gráfico 1c mostra a dependência da magnetorresistência a diferentes temperaturas em um único cristal de Hf ₂ Te ₂ P, quando a corrente flui no plano basal da célula da unidade cristalográfica.

A projeção da zona de volume de Brillouin na superfície hexagonal da mesma zona do cristal Hf ₂ Te ₂ P, onde são marcados pontos de alta simetria, é mostrada na Figura 1d .

E finalmente, a imagem 1e mostra os resultados da medição do nível do núcleo de Hf ₂ Te ₂ P. Aqui você pode ver os grandes picos de Te 4d (telúrio) e Hf 4f (háfnio), que é um indicador da alta qualidade da amostra de teste.

Além da determinação de vários cones de Dirac * no ponto Γ (imagem 1d ) em vários níveis de energia de ligação * abaixo e acima do nível de Fermi * , também foi encontrado um arco de Dirac, centralizado no ponto M ao longo do eixo GM no plano do pulso de energia.

Cones Dirac *

Nível de Fermi * - aumento da energia do estado fundamental do sistema quando uma partícula é adicionada; energia máxima de férmion no estado fundamental à temperatura zero absoluta.

Imagem No. 2: Superfície de Fermi e observação de múltiplos estados de férmion

As imagens do grupo 2a mostram diferentes superfícies de Fermi em diferentes níveis de energia de fótons (80 eV, 90 eV e 100 eV). Linhas pontilhadas brancas numeradas 1 e 2 indicam a direção da dispersão.

As imagens b a d mostram mapas de dispersão medidos ao longo de várias direções altamente simétricas em diferentes níveis de energia de fótons. Os dados foram obtidos utilizando a estação experimental da fonte de radiação síncrotron * a uma temperatura de 18 K (-255,15 ° C).

Radiação síncrotron * - radiação eletromagnética emitida por partículas carregadas que se movem com velocidades relativísticas ao longo de trajetórias curvas por um campo magnético.

Imagem No. 3: observações experimentais do arco Dirac.

As imagens do grupo 3a mostram os contornos da superfície de energia constante em vários valores da energia de ligação (de 0 a 1000 meV, milieletron-volts). A superfície de Fermi na forma de uma flor com seis pétalas é claramente visível, o que sugere que uma dispersão tão pronunciada é possível mesmo em material metálico Dirac. Abaixo, em 3b , os contornos da energia constante são mostrados mais perto do arco de Dirac.

3c é um mapa de dispersão na direção de KMK ao longo da direção da seção, revelado para uma superfície de energia constante a um nível de energia de ligação de cerca de 1000 meV.

Ao abordar um debriefing, é importante observar todos os estados fermiônicos determinados na amostra por meio de cálculos e observações experimentais.


Imagem No. 4: múltiplos estados de férmion.

Sumário

Como mencionado anteriormente, uma das observações mais importantes foi a superfície de Fermi na forma de uma flor com seis pétalas, indicando que uma dispersão tão pronunciada é possível mesmo em material metálico Dirac. Os cones de dirac com dispersão linear em uma ampla faixa de energia (~ 2,3 eV) também são de igual importância, maior do que a do semimetal ZrSiS (~ 2 eV).



Deve-se notar que nos isoladores topológicos do tipo n já bem estudados Bi ₂ Se ₃ / Bi ₂ Te ₃ ( 5a ), verificou-se experimentalmente que os cones da superfície inferior e superior do Dirac têm um nível de Fermi muito maior que o ponto do Dirac (o ponto de contato entre as zonas de valência e banda condutividade). No caso de Sb ₂ Te ₃ , um material do tipo p, o ponto Dirac está localizado bem acima do nível de Fermi ( 5b ). Em alguns outros materiais, há um contato entre a condutividade aparente e a banda de valência em um loop unidimensional protegido por simetria assimétrica ( 5c ).

E todos esses três fenômenos são encontrados em um material de uma só vez, em Hf ₂ Te ₂ P ( 5d , 5e ). Até agora, nenhum material poderia se orgulhar disso.

Para se familiarizar com os detalhes dos cálculos e medidas, recomendo a leitura do relatório dos pesquisadores, disponível neste link.

Os pesquisadores também forneceram acesso a todos os participantes a materiais adicionais de seu trabalho.

Epílogo

Tais estudos não podem ser chamados de simples. A tecnologia quântica é geralmente difícil de chamar a luz, pelo menos para mim. No entanto, esse trabalho colossal pode render cem vezes mais, pois as propriedades anteriormente ocultas do material conhecido descoberto pelos pesquisadores podem expandir o leque de possibilidades na implementação de computadores quânticos. A combinação de várias propriedades úteis em um material pode ser uma vantagem sobre a complexidade de sua fabricação. Talvez se alguém não conseguir encontrar uma alternativa para o material acima, ele pode se tornar a pedra da tecnologia Rosetta do futuro. Todos esses estudos, embora apoiados por medições e observações experimentais, ainda permanecem amplamente teóricos. Somente a implementação prática de qualquer dispositivo que utilize esses materiais pode 100% nos garantir sua singularidade e incrível utilidade, como dizem os cientistas. De qualquer forma, você não deve se apressar. O mundo da ciência ainda tem um longo caminho a percorrer, para que esses estudos sejam incluídos na história como descobertas do passado que afetaram nosso futuro.

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