Ученые из Московского Физтеха и Института теоретической физики РАН выяснили, как ведут себя примеси внутри так называемых топологических изоляторов – "плоских" проводников тока, способных стать основой для суперстабильных квантовых компьютеров будущего, и опубликовали свои выводы в журнале Physical Review B.
"Несмотря на то, что прямого практического применения полученные теоретические результаты не имеют, они важны для дальнейшего исследования влияния магнитных атомов на распространение электрического тока вдоль границы двумерного топологического изолятора", — заявил Игорь Бурмистров, физик из МФТИ, чьи слова приводит пресс-служба института.
В последние годы физики из России и зарубежных стран активно изучают свойства так называемых топологических изоляторов – относительно нового класса материалов, которые проводят электрический ток только на поверхности, а внутри остаются диэлектриками-изоляторами или полупроводниками.
Подобные вещества привлекают физиков тем, что электроны в этом поверхностном слое ведут себя чрезвычайно стабильно, что позволяет использовать их в качестве сверхнадежного "хранилища" информации в квантовых компьютерах.
Проблема, как рассказывают ученые из МФТИ и ИТФ РАН, заключается в том, что идеальных топологических изоляторов не существует – внутри них всегда существуют различные примеси и несовершенства структуры, влияющие на характер движения электронов внутри них. К примеру, внутри них могут присутствовать вкрапления атомов с ненулевым магнитным моментом, способные создавать магнитные поля и перенаправлять электроны.
Поведение таких атомов в "обычных" материалах – металлах, полупроводниках и изоляторах – было хорошо изучено еще в 20 веке, но то, как они влияют на поведение топологических изоляторов, пока никто не изучал. Бурмистров и его коллеги решили заполнить этот пробел, просчитав те эффекты, которые возникают в топологическом изоляторе при попадании туда атома или марганца.
Эти расчеты помогли ученым понять, как меняется поведение электронов при появлении атомов марганца на границу между проводящим и непроводящими слоями этого материала или на большом расстоянии от него, и просчитать, как "далеко" действует магнитное поле одного такого атома, и как они взаимодействуют друг с другом. В частности, им удалось открыть необычную форму взаимодействия между атомами, которая раньше не предсказывалась и отсутствует в "обычных" проводниках и полупроводниках.
Пока эти результаты теоретических расчетов не имеют практического применения, однако в будущем они могут стать критически важными при разработке первых серьезных квантовых компьютеров, сверхэкономичных "обычных" микросхем и других электронных приборов.