Квантовые эффекты открыли микроэлектронике новый путь развития
Научной премии Breakthrough Prize, которая в денежном выражении превосходит Нобелевскую, удостоились в этом году физики, чьи работы привели к открытию совершенно нового класса веществ - топологических изоляторов. Свойства этих веществ обусловлены квантовыми эффектами, и с этим связывают прорыв в микроэлектронике и квантовых вычислениях.
Окно в будущее
Предел вычислительных мощностей компьютеров практически достигнут. Людям нужны на порядки более скоростные устройства, основанные на других физических явлениях. Микроэлектронику необходимо модернизировать. Открытые в последние десятилетия топологические состояния материи дают надежду на то, что очередной виток технического прогресса не за горами.
Топология - это область математики, изучающая, каким образом свойства объектов остаются неизменными при непрерывных деформациях. С ее помощью удалось предсказать существование нового класса материалов. Отсюда их название - топологические изоляторы.
Это твердое вещество, которое не проводит электрический ток, но на поверхности проявляет свойства металла, то есть служит прекрасным проводником. Топологические изоляторы сохраняют эту удивительную способность независимо от дефектов, коррозии, деформации, повреждений. Именно этим они вызвали интерес ученых.
Под защитой топологии
Открытию топологических изоляторов предшествовали фундаментальные научные исследования, о практической пользе которых изначально не помышляли.
В 1981 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг открыл квантовый эффект Холла, возникающий в двумерном образце (очень тонком - толщиной в один-два атома) при низких температурах и сильном магнитном поле. Если такой проводник поместить между магнитами, то в нем возникнет разность потенциалов, перпендикулярная течению тока. С увеличением магнитного поля это "перпендикулярное" сопротивление (физики говорят "холловское") изменяется не плавно, а скачками по определенному закону с участием универсальных физических констант: заряда электрона и постоянной Планка. Таким образом в макрообъекте наблюдаются квантовые процессы, присущие микромиру. В 1985 году это открытие удостоилось Нобелевской премии.
Далее физики, пытаясь объяснить квантовый эффект Холла, обнаружили, что его природа - топологическая. За эти работы в 2016 году Нобелевскую премию по физике получил, в частности, англичанин Дэвид Таулесс. Грубо говоря, этот эффект проявляется, потому что у твердого тела есть поверхность, край. Именно там неизбежно движение электронов. Убегать с поверхности внутрь образца они не могут - у них нет для этого энергии.
В 2005 году американские физики-теоретики Чарльз Кейн и Юджин Мел предсказали, что должны существовать топологические изоляторы, в которых квантовый эффект Холла наблюдается при обычных условиях: без сильного внешнего магнитного поля и при комнатной температуре.
Роль магнитного поля в них играет особое квантовое явление - спин-орбитальное взаимодействие, обеспечивающее топологическую защиту поверхностных электронов. Действует это следующим образом. Когда заряженные частицы встречают дефект, то в обычном материале могут от него отскочить. В топологическом же изоляторе спин (внутреннее вращение электрона) всегда связан с направлением движения и должен сохраняться, поэтому электрон проигнорирует дефект и продолжит путь, не меняя направления.
Спустя два года после предсказания такие химические соединения действительно открыли. За что Кейн и Мел удостоились на днях премии Breakthrough Prize, учрежденной на средства Юрия Мильнера, Сергея Брина и Марка Цукерберга.
Квантовые нанотехнологии
Спин-орбитальное взаимодействие наиболее сильно проявляется в соединениях, в кристаллическую решетку которых входят тяжелые элементы, такие как висмут, ртуть, сурьма.
"Висмут уже сто лет исследуют. И вот в этом году обнаружили, что, если в нем сделать микроканавку, на некоторых ее стенках можно наблюдать топологическое состояние. В последние годы открыли еще несколько семейств топологических материалов - вейлевские, дираковские полуметаллы, полуметаллы с линией узлов. Поиск продолжается. Сейчас происходит топологическая революция в физике конденсированного состояния", - рассказывает РИА Новости кандидат физико-математических наук Александр Кунцевич, старший научный сотрудник лаборатории сильно коррелированных электронных систем ФИАН.
Его группа работает с кристаллами и тонкими пленками селенида висмута (Bi2Se3). Ученые делают из них простейшие электронные элементы, измеряют проводимость на поверхности, добавляют в систему примеси. На установке фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) исследуют образцы, их зонную структуру и топологическое поверхностное состояние.
Фотоны вместо электронов
"Недавно подсчитали, что из двухсот тысяч известных науке химических соединений, только четыреста могут быть электронными топологическими изоляторами. Это капля в море", - комментирует РИА Новости Максим Горлач, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов ИТМО (Санкт-Петербург).
Чтобы расширить класс этих необычных материалов, ученые пошли на хитрость, заменив электроны фотонами - квантами электромагнитного излучения. Для этого конструируют особые структуры, имитирующие кристаллическую решетку. Попадая в них, фотон приобретает спин и даже в некотором смысле массу и, в общем, чувствует себя как электрон. Такие искусственные структуры называют фотонными топологическими изоляторами.
"В топологической системе свет распределяется по краю. Если начнем вносить туда дефекты, что произойдет с краевым состоянием? Электромагнитная волна их обогнет, не рассеется, не уйдет вглубь структуры. Это вызывает большой интерес исследователей", - поясняет Горлач.
Ученые в ИТМО выращивают и изучают структуры из керамики и кремния. Их форма зависит от диапазона частот электромагнитного излучения - это могут быть микроволновый, инфракрасный, оптический диапазоны.
В отличие от электронных, для изготовления фотонных топологических изоляторов не требуются редкие соединения. Однако интервал частот, для которых характерны такие состояния материи, слишком узок. Усилия ученых направлены на то, чтобы его расширить.
Новые материалы, новые устройства
Фотонные топологические изоляторы перспективны там, где требуется передача электромагнитного сигнала: оптические системы, линии связи.
"На их основе можно сделать такой волновод, что при любых его изгибах и деформациях, любых изменениях окружающей среды, излучение будет распространяться по нему без рассеяния на дефектах или изгибах. Если оптоволоконный кабель сильно перекрутить или переломить, оптический сигнал не пройдет. А топологический волновод сохранит работоспособность, несмотря на повреждение", - приводит пример Максим Горлач.
Электронные топологические изоляторы в сочетании с ферромагнетиками найдут применение в спинтронике, которая для переноса информации задействует спин электронов. В будущем - это спиновые транзисторы и накопители информации, спиновые компьютеры, не выделяющие тепла и, как следствие, работающие на порядок быстрее обычных.
Топологический изолятор, соединенный со сверхпроводником, даст топологический сверхпроводник, для которого открывается совершенно другая перспектива - использование в квантовых компьютерах.
Первые эксперименты показали, что, если на нанотрубочку из материала с сильным спин-орбитальным взаимодействием напылить сверхпроводник и охладить до гелиевых температур, сверхпроводимость проникнет в материал, и трубочка превратится в топологический сверхпроводник. На ее концах, как полагают физики, образуются фермионы Майораны - квазичастицы, предсказанные в 1930-х годах Этторе Майораной, учеником Энрико Ферми.
"Если поместить рядом две, условно говоря, трубочки топологических сверхпроводников, на концах которых "живут" фермионы Майораны, то они провзаимодействуют между собой. Значит, их можно рассматривать как квантовые биты и производить с ними квантовые вычисления", - объясняет Александр Кунцевич.
Практика отстает от теории
У идеального топологического изолятора на поверхности нулевое сопротивление, а внутри он, наоборот, - идеальный диэлектрик. На практике же ни одно из изученных химических соединений этому идеалу не соответствует: все образцы хоть немного, но проводят ток в объеме и рассеивают на краю. Те же недостатки и у их фотонных разновидностей.
Причины различные: у некоторых веществ, например, у селенида висмута, всегда много проводящих электронов в объеме, отсюда и ток. Попытки избавиться от этого дефекта с помощью добавления примесей пока не принесли успеха. А из-за несовершенной поверхности кристаллов не удается добиться нужной поверхностной проводимости.
По словам Кунцевича, очень качественные кристаллы умеют выращивать в Институте геологии и минералогии СО РАН в Новосибирске (его сотрудник Константин Кох стал лауреатом премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года). Но до идеального топологического изолятора, предсказанного теорией, эти кристаллы пока не дотягивают.
Другой путь - вырастить тонкую пленку. Поскольку у нее при большой площади поверхности очень малый объем, то проблема проводимости частично снимается. Пленка технологичнее кристалла, из нее можно делать устройства на чипе, ею можно управлять при помощи внешнего электрического поля. Но разработать технологию получения хороших пленок гораздо сложнее. Для этого требуются многие годы и большие инвестиции, впрочем, как и для всего остального в микроэлектронной промышленности.
"Пока воплотить в жизнь удивительные свойства этих материалов не удалось. То есть устройств еще нет. Если коротко, нынешние топологические изоляторы - недостаточно изоляторы. Нужно продолжать искать, трудности не означают, что цель недостижима", - заключает ученый.
