Инженеры работают над сверхбыстрыми материалами для квантовых компьютеров

Инженеры из Университета Юты (США) показали, что существует возможность создания органических материалов, проводящих электричество по краям, а внутри действующих как изоляторы. Такие материалы именуются органическими топологическими изоляторами и способны передавать информацию со скоростью света в квантовых компьютерах и других высокоскоростных электронных устройствах.

Как сказал Фэн Лю, ведущий автор статьи, опубликованной на этой неделе в журнале Nature Communications, эта работа поможет открыть новое поле исследований в материаловедении. «Это первая демонстрация существования топологических изоляторов на основе органических материалов», — говорит Лю. – «Полученные нами результаты расширят масштаб использования и влияние этих материалов на различные области – от спинтроники до квантовых вычислений».

В то время как другим исследователям по-прежнему приходится синтезировать новые органические топологические изоляторы, предыдущая работа группы Лю показала, что для получения таких материалов можно модифицировать границы раздела между двумя различными тонкими пленками. При этом вдоль границы раздела пленок начинают двигаться электроны, известные как фермионы Дирака.

Лю и его коллеги из Инженерного колледжа при Университете Юты произвели теоретические расчеты, прогнозирующие существование органического топологического изолятора, характеризующегося наличием молекул с углерод-углеродными и углерод-металлическими связями – это так называемое органометаллическое соединение. В ходе нового исследования инженеры изучили то, как фермионы Дирака движутся вдоль краев такого соединения.

Для создания топологического изолятора ученым приходится разрабатывать материалы, способные передавать фермионы. Последние ведут себя как безмассовый пучок света, проводя электричество по мере быстрого движения вдоль поверхности или краев материала. Однако, если такие фермионы проникают внутрь материала, эта «безмассовая» проводимость прекращается.

Более того, фермионы Дирака обладают свойством, известным как спин, что дает ученым еще один способ размещения информации в частицах, поскольку спин может переключаться между режимами «вверх» и «вниз». Такой механизм может быть полезен для создания спинтронных устройств, способных хранить информацию как с помощью заряда, как и за счет спина электронов.

«Мы продемонстрировали систему с особым типом электронов (фермионами Дирака), в которой спиновое движение можно использовать для передачи информации», — говорит Лю. – «Это имеет преимущества перед традиционной электроникой, поскольку все происходит быстрее и не приходится волноваться насчет отвода тепла».