Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне (UCI) обнаружили новое состояние материи в синтезированном ими материале, что может переопределить границы квантовых вычислений и освоения космоса. Этот прорыв позволит создавать более эффективные и устойчивые к радиации компьютеры, способные работать в экстремальных условиях глубокого космоса.
Открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, описывает ранее не наблюдавшуюся квантовую фазу, в которой электроны и их "дырки" спонтанно объединяются, образуя экзотические состояния — экситоны.
Как объясняет профессор Луис А. Хауреги, ведущий автор исследования и сотрудник кафедры физики и астрономии UCI, уникальность этого явления в том, что частицы вращаются в одном направлении, формируя необычную структуру. Это можно сравнить с тем, как если бы вода, помимо жидкого, твердого и газообразного состояния, обладала четвертой, неизвестной ранее формой. Если бы такой материал можно было удержать в руках, он испускал бы яркий высокочастотный свет. Материал, ответственный за этот феномен, — пентателлурид гафния — был разработан Цзинью Лю, постдокторантом лаборатории Хауреги и первым автором статьи. Чтобы подтвердить существование квантового состояния, команда подвергла соединение воздействию сверхсильных магнитных полей — до 70 тесла, что в 700 раз мощнее магнита холодильника. Эксперименты проводились в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL) в Нью-Мексико.
Ключом к открытию стало неожиданное поведение материала: при приложении магнитного поля его способность проводить электричество резко падала. Этот спад указал на переход в новое квантовое состояние, поясняет Хауреги. По словам физика, данное явление предполагает, что информацию можно передавать не через электрический заряд, как в современных устройствах, а через спин частиц. Такой метод значительно снизит энергопотребление и откроет путь к спинтронной электронике и более стабильным квантовым устройствам. Но значение открытия выходит за рамки энергоэффективности. В отличие от традиционных полупроводников, этот материал устойчив к радиации, что критически важно для длительных космических миссий.
"Если мы хотим, чтобы компьютеры работали на Марсе или в межзвездных путешествиях, нам нужны компоненты, которые не выйдут из строя после многолетнего воздействия космических лучей", — подчеркивает Хауреги.
Такие компании, как SpaceX, планирующие отправку людей на планету Марс, могут воспользоваться этой технологией, хотя ученый признает, что пока рано прогнозировать все возможные применения.
Создание и изучение пентателлурида гафния потребовало междисциплинарных усилий. Помимо Цзинью Лю, в работе участвовали аспиранты Роберт Уэлсер и Тимоти МакСорли, а также университетский исследователь Триет Хо. Теоретическая часть исследования была выполнена группой LANL, включающей Шизенг Линя, Варшу Субраманьян и Авадха Саксену. Эксперименты с экстремальными магнитными полями поддержали Лорел Уинтер, Майкл Т. Петтс (LANL) и Дэвид Граф из Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде.
Хотя до коммерческого применения материала еще далеко, открытие стало важной вехой в физике материалов. "Мы не знаем, какие двери это откроет, но это новая территория, а это всегда захватывающе", — отмечает Хауреги. Пока космическая индустрия и разработчики квантовых компьютеров внимательно следят за развитием событий, пентателлурид гафния становится кандидатом на решение двух главных технологических вызовов столетия: энергоэффективности и выживания в космосе.