В рамках реализации дорожной карты по квантовым вычислениям, которой руководит Госкорпорация «Росатом», исследователи из Квантового центра, Национального исследовательского Университета ИТМО и Физтеха впервые показали, что коллективное поведение электронов в ультратонком материале можно наблюдать с помощью света. 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, 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».