Компьютер на квантовых вихрях

Ученые МФТИ сделали важный шаг на пути к принципиально новым компьютерам

quantum-munich.de
Ученые МФТИ подобрались к пониманию свойств странных материалов, овладение которыми обещает принципиально новые подходы в создании новой электроники. Квантовые вихри и фазовые переходы, созданные ими, помогут в будущем отказаться от транзисторов.

Международная группа физиков, среди которых руководитель лаборатории «Топологические квантовые явления в сверхпроводящих системах» МФТИ Александр Голубов, представила на страницах журнала Science экспериментальное исследование явления, которое может использоваться для построения принципиально новой электроники.

Это явление — так называемый моттовский переход, превращение диэлектрика в проводник.

Исследователи из Нидерландов, Великобритании, Италии, США и России провели серию экспериментов с моттовскими изоляторами. Согласно зонной теории проводимости, эти материалы должны были быть проводниками электрического тока, однако на практике они оказываются диэлектриками. В общих чертах механизм, объясняющий эту аномалию, физикам известен, однако полной теории моттовских изоляторов пока нет. Как такие материалы превращаются из изоляторов в проводники, тоже до конца не ясно.

В то же время, по предварительным оценкам, такой эффект способен открыть путь к более быстрым компьютерам. Моттовский переход происходит под действием ряда факторов, включающих магнитное поле, за счет которого им можно управлять извне, пропуская или останавливая электрический ток в нужном месте. Такая схема могла бы заменить обычные транзисторы и при этом оказаться быстрее и компактнее:

но для ее реализации нужна теория моттовского перехода.

Такая теория относится к числу фундаментальных концепций, объясняющих электрические свойства вещества. И она имеет непосредственное отношение не только к поведению моттовского изолятора, но также к сверхпроводимости и основам спинтроники, технологии, которая предполагает управление спинами электронов.

Спином частиц физики называют квантовую величину, которая проявляет себя при взаимодействии частицы с магнитным полем. Спин играет фундаментальную роль в квантовой физике, поскольку без его учета невозможно описать ни поведение электронов в атомах, ни феномен намагничивания материалов, ни строение молекул.

Сверхпроводимость со спинтроникой относятся к тем направлениям, где можно ожидать радикальных технологических прорывов,

поэтому понимание природы моттовского перехода важно не только с точки зрения чистой теории.

В новом исследовании физики использовали специальную модель, которая позволяла изучать квантовые процессы в моттовском изоляторе при помощи так называемых магнитных вихрей. В этой модели, предложенной в 1993 году Валерием Винокуром и Дэвидом Нельсоном, внутри сверхпроводящего материала создаются квантовые вихри из электрического тока, и такие вихри сами по себе можно рассматривать как носители заряда.

Причем, что особенно важно, в работе Винокура и Нельсона говорилось о фазовых переходах вещества из одного состояния в другое —

сверхпроводник с магнитными вихрями вел себя то как сверхтекучая жидкость, то как стекло, в котором электрический ток распространяться не может.

Варьируя температуру и магнитное поле, ученые переводили образец из одного состояния в другое, и именно эти наблюдения вкупе с рядом более новых данных были положены в основу нового исследования.

Для нового эксперимента ученые изготовили на кремниевой пластине квадратную матрицу из 300 х 300 ниобиевых «островков» диаметром около 220 нанометров и подвели к ней золотые и ниобиевые контакты. Образец изготовили стандартными методами фотолитографии и затем поместили в криостат, охладив до 1,4 кельвина, ниже температуры перехода ниобия в сверхпроводящее состояние.

Ниобиевые «островки» стали сверхпроводниками, в них сформировались магнитные вихри, и далее исследователи проанализировали поведение системы в различных условиях.

В частности, они измерили сопротивление образца и обнаружили, что эта величина меняется нелинейно с ростом магнитного поля. С теоретической точки зрения полученные результаты означают то, что моттовский переход действительно можно представить как превращение вещества из жидкого состояния в газ, что открывает дополнительные возможности для анализа феномена с позиций термодинамики.

Причем разработанная учеными экспериментальная схема делает дальнейшие эксперименты сравнительно простыми, поскольку для них достаточно стандартных методов фотолитографии и температур, сравнимых с температурой жидкого гелия.

Такие низкие температуры, кстати, уже научились получать без использования дорогого жидкого гелия, и в прошлом году в МФТИ запустили установку в лаборатории Междисциплинарного центра фундаментальных исследований.