Ученые-квантовики обнаружили редкое явление, которое может стать ключом к созданию «идеального переключателя» в квантовых устройствах, который переключается между изолятором и сверхпроводником.
Исследование, проведенное Бристольским университетом, показало, что эти два противоположных электронных состояния существуют в фиолетовой бронзе, уникальном одномерном металле, состоящем из отдельных проводящих цепочек атомов.
Например, крошечные изменения в материале, вызванные небольшим раздражителем, таким как тепло или свет, могут вызвать мгновенный переход из изолирующего состояния с нулевой проводимостью в сверхпроводник с неограниченной проводимостью, и наоборот. Эта поляризованная универсальность, известная как «эмерджентная симметрия», может стать идеальным переключателем включения/выключения в будущих разработках квантовых технологий.
Ведущий автор исследования Найджел Хасси, профессор физики в Бристольском университете, сказал: «Это действительно захватывающее открытие, которое может стать идеальным переключателем для квантовых устройств завтрашнего дня.
«Замечательное путешествие началось 13 лет назад в моей лаборатории, когда два аспиранта, Сяофэн Сюй и Ник Уэйкхем, измерили магнитосопротивление — изменение сопротивления, вызванное магнитным полем — фиолетовой бронзы».
В отсутствие магнитного поля сопротивление пурпурной бронзы сильно зависело от направления, в котором вводился электрический ток. Его температурная зависимость также была довольно сложной. При комнатной температуре сопротивление металлическое, но при понижении температуры ситуация меняется на противоположную, и материал, похоже, превращается в изолятор. Затем, при самых низких температурах, сопротивление снова резко падает, когда он переходит в сверхпроводник.
Несмотря на эту сложность, удивительно, что магнитосопротивление оказалось чрезвычайно простым. По существу, она была одинаковой независимо от направления, в котором был выровнен ток или поле, и следовала идеальной линейной зависимости температуры от комнатной температуры до температуры сверхпроводящего перехода.
Не найдя внятного объяснения этому загадочному поведению, данные лежали в спящем состоянии и оставались неопубликованными в течение следующих семи лет. Такой перерыв необычен для квантовых исследований, хотя причина его не в отсутствии статистики», — пояснил профессор Хасси.
«Такая простота магнитного отклика неизменно опровергает сложное происхождение, и, как оказывается, его возможное разрешение может быть достигнуто только при случайной встрече».
В 2017 году профессор Хасси работал в Университете Радбауда и увидел рекламу семинара физика доктора Петра Чудзинского на тему пурпурной бронзы. В то время мало кто из исследователей посвящал этому малоизвестному материалу целый семинар, поэтому его интерес был подогручен.
Профессор Хасси сказал: «На семинаре Чудзинский предположил, что резистивный подъем может быть вызван интерференцией между электронами проводимости и неуловимыми составными частицами, известными как темные экситоны. Мы пообщались после семинара и вместе предложили эксперимент для проверки его теории. Наши последующие измерения, по сути, подтвердили это».
Воодушевленный этим успехом, профессор Хасси воскресил данные магнитосопротивления Сюй и Уэйкхема и показал их доктору Чудзински. Две основные особенности данных — линейность с температурой и независимость ориентации тока и поля — заинтриговали Чудзинского, как и тот факт, что сам материал может проявлять как изолирующее, так и сверхпроводящее поведение в зависимости от того, как материал был выращен.
Доктор Чудзински задался вопросом, может ли взаимодействие между носителями заряда и экситонами, которые он ввел ранее, вместо того, чтобы полностью превратиться в изолятор, заставить первых тяготеть к границе между изолирующим и сверхпроводящим состояниями при понижении температуры. На самой границе вероятность того, что система является изолятором или сверхпроводником, по сути, одинакова.
Профессор Хасси сказал: «Такая физическая симметрия является необычным положением дел, и развитие такой симметрии в металле при понижении температуры, отсюда и термин «эмерджентная симметрия», было бы первым в мире».
Физики хорошо разбираются в явлении нарушения симметрии: понижении симметрии электронной системы при охлаждении. Сложное расположение молекул воды в кристалле льда является примером такой нарушенной симметрии. Но обратное явление крайне редкое, если не сказать уникальное. Возвращаясь к аналогии между водой и льдом, можно сказать, что при дальнейшем охлаждении льда сложность кристаллов льда снова «тает» в нечто симметричное и гладкое, как капля воды.
Доктор Чудзински, в настоящее время научный сотрудник Королевского университета в Белфасте, сказал: «Представьте себе волшебный трюк, когда тусклая, искаженная фигура превращается в прекрасную, идеально симметричную сферу. В этом, в двух словах, суть эмерджентной симметрии. Фигура, о которой идет речь, — это наш материал, пурпурная бронза, а наш волшебник — сама природа».
Чтобы проверить, содержит ли теория воду, другой аспирант, Маартен Бербен, работающий в Университете Радбауда, исследовал еще 100 отдельных кристаллов, некоторые из которых были изолирующими, а другие сверхпроводящими.
Профессор Хасси добавил: «После титанических усилий Мартена история была завершена, и причина, по которой разные кристаллы демонстрировали такие совершенно разные основные состояния, стала очевидной. Заглядывая в будущее, можно было бы использовать эту «резкость» для создания переключателей в квантовых схемах, с помощью которых крошечные стимулы вызывают глубокие, порядка величины, изменения в сопротивлении переключателя».