Работа опубликована в
авторитетном научном журнале «Physical Review B» и реализована в
рамках дорожной карты по развитию квантовых вычислений. Результат важен для одного
из ключевых направлений современной физики и квантовых технологий — изучения
сложных материалов, в которых частицы ведут себя как единая система. Именно
коллективные эффекты лежат в основе многих перспективных явлений, включая сверхпроводимость,
необычный магнетизм и новые электронные состояния. Понимание этих
процессов необходимо для разработки будущих материалов, квантовых устройств и
более эффективной электроники.
В обычных условиях
электроны в твердом теле могут двигаться почти свободно. Но если материал
сильно охладить и уменьшить плотность частиц, электроны начинают заметно
отталкиваться друг от друга, и вместо хаотичного движения в определенный момент
они выстраиваются в регулярную решетку. Такое состояние называют вигнеровским
кристаллом.
В новой работе ученые
наблюдали такой электронный кристалл в монослое диселенида вольфрама —
полупроводнике размером до нанометра, который относится к двумерным материалам
и по толщине уступает человеческому волосу примерно в сто тысяч раз.
Главным отличием стал
способ наблюдения. Обычно подобные
состояния изучают с помощью электрических измерений или в сильных магнитных
полях. Однако ученым удалось увидеть признаки электронного кристалла оптически,
то есть через отклик материала на свет, и без внешнего магнитного поля.
В эксперименте электронный
кристалл возникал при охлаждении образца ниже 26 K[1], примерно ниже –247 °C, и
точной настройке плотности электронов. Для этого в ИТМО разработали
теоретическую модель и экспериментальный протокол, которые позволяют определять
период кристалла по спектрам отражения двумерного материала.
Ключевое преимущество
подхода в том, что он позволяет наблюдать за состоянием электронов почти
бесконтактно. Исследователям не нужно
усложнять образец большим числом электрических контактов или использовать
сильные магнитные поля, что ведет к более удобному изучению сильно
взаимодействующих электронных систем.
В перспективе такие
двумерные структуры могут использоваться как основа для твердотельных квантовых
симуляторов — квантовых платформ, помогающих моделировать поведение сложных
материалов. Подобные задачи зачастую невозможны для решения на
классических суперкомпьютерах, поскольку в них требуется учитывать
коллективное поведение огромного числа частиц.
«Мы впервые показали, что
такое сложное состояние электронов в монослое диселенида вольфрама можно
увидеть напрямую с помощью света. В эксперименте электроны в атомарно тонком
полупроводнике выстраиваются в регулярную структуру, а ее появление меняет оптический
отклик материала, что дает научному сообществу новый инструмент для изучения
квантовых состояний, в которых большое число частиц ведет себя как единое
целое», — отметил Александр Чернов, руководитель научной
группы Квантового центра и Физтеха, один из авторов работы.
Работа относится к
направлению исследований, связанному с развитием квантовых симуляторов на
основе двумерных материалов в рамках дорожной карты развития квантовых
вычислений — отечественного Квантового проекта, реализуемого в стране с 2020
года под руководством Госкорпорации «Росатом».
София Зиновина
___________________
Госкорпорация «Росатом» – глобальный технологический многопрофильный
холдинг, объединяющий активы в энергетике, машиностроении, строительстве.
Включает в себя более 550 предприятий и организаций, в которых работает около
415 тыс. человек. С 2020 года «Росатом» отвечает за реализацию дорожной карты
(ДК) по развитию высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». Работа в
данном направлении является основой Квантового проекта «Росатома», экосистема
которого объединяет 19 научных институтов и университетов, включая более 750+
исследователей и инженеров. Важной задачей первого этапа Квантового проекта
стало создание российского квантового компьютера: разработаны прототипы четырех
вычислителей на ионах, атомах, фотонах и сверхпроводниках – по этому показателю
страна вошла в число первых трех стран-лидеров. На сегодняшний день Россия
обладает 7 квантовыми процессорами, 5 из них созданы в рамках ДК. 3 квантовых
вычислителя достигли размерности 70+ кубитов. Реализация ДК
на 2025-2030 гг. нацелена на достижение качественных эффектов развития
квантовых технологий в России и овладение практикой применения квантовых
технологий, в первую очередь, в российской атомной отрасли, в которой
реализуется 30+ пилотных проектов. С 2026 года «Росатом» включается в
исследования и разработки в области квантовых сенсоров.
[1] Кельвин -
единица термодинамической температуры в Международной системе единиц. Начало
шкалы Кельвина совпадает с абсолютным нулём.
