Квантовая аэротруба

Исследователи из Российского квантового центра, Университета ИТМО и МФТИ показали, что коллективное поведение электронов в ультратонком материале можно наблюдать с помощью света. В монослое диселенида вольфрама ученые увидели признаки вигнеровской кристаллизации — состояния, при котором электроны выстраиваются в регулярную решетку. Работа опубликована в Physical Review B и выполнена в рамках «дорожной карты» по развитию квантовых вычислений. О том, почему возникает электронный кристалл, зачем для его наблюдения нужны двумерные материалы и как такие системы могут использоваться в квантовом материаловедении, «Ъ-Наука» поговорил с соавторами исследования: руководителем научной группы Российского квантового центра и МФТИ Александром Черновым и главным научным сотрудником Нового физтеха ИТМО Иваном Иоршем.

— Электроны обычно стремятся разбежаться друг от друга, поскольку одноименно заряжены. Что заставляет их зафиксироваться в регулярной решетке при охлаждении и снижении плотности, а не просто рассеяться по всему объему материала?

Александр Чернов: Здесь уместна аналогия с переполненной комнатой, где гости совсем не любят друг друга. Пока у них есть энергия движения, они хаотично перемещаются по комнате, стараясь держаться подальше друг от друга. Когда мы охлаждаем материал, мы фактически забираем у электронов эту энергию. Тогда оказывается, что для максимального удаления друг от друга им выгоднее перестать хаотично двигаться и выстроиться в определенную конфигурацию. Именно это и происходит в нашем материале. Дополнительно помогает большая эффективная масса: электроны становятся тяжелыми, неповоротливыми и менее подвижными. Так из хаоса возникает порядок — они замирают в решетке.

Иван Иорш: Чтобы это произошло, важны две вещи. Во-первых, электроны должны очень сильно отталкиваться друг от друга — в нашей аналогии испытывать сильный дискомфорт, приближаясь к соседям. Во-вторых, им должно быть трудно двигаться. Тогда в какой-то момент они как будто решают: «Все, хватит!» — и выстраиваются в регулярную решетку.

— Пороговая температура возникновения вигнеровского кристалла в эксперименте — ниже 26 К (–247 °C). Насколько критичны именно такие жесткие условия? Можно ли наблюдать этот эффект при более высоких температурах в других материалах или пока это неизбежная плата за само явление?

И. И.: Для повседневной жизни это, конечно, экстремально низкая температура. Но для физиков, изучающих вигнеровские кристаллы, она, наоборот, довольно высокая: обычно такую фазу наблюдают при температурах намного ниже 26 К, гораздо ближе к абсолютному нулю. Путь к более высоким температурам понятен: нужно усиливать взаимодействие электронов друг с другом и делать их более тяжелыми и неповоротливыми. Чем более «мизантропичными» будут наши гости и чем труднее им будет двигаться, тем при более высокой температуре они смогут кристаллизоваться.

А. Ч.: Наша работа показывает, что в этом материале вигнеровский кристалл можно наблюдать при температуре до 26 К, и это уже довольно высокое значение. Мы ожидаем, что в других системах эффект можно будет увидеть и при более высоких температурах. Сейчас мы вручную собираем структуры из двумерных материалов и пытаемся создать в них нужные физические условия. Например, можно складывать один материал с другим под определенным углом. Такие искусственно собранные системы позволяют добиваться режимов, которые раньше были недостижимы, и наблюдать интересующие нас эффекты при более высоких температурах.

— Эксперимент проведен на монослое диселенида вольфрама — буквально атомарно тонком материале. Почему именно двумерные структуры так удобны для наблюдения вигнеровского кристалла? В трехмерных материалах этот эффект сложнее увидеть или он вообще не возникает?

А. Ч.: Если продолжить аналогию с электронами, которые не хотят видеть соседей, то в трехмерном материале у них больше пространства, чтобы разойтись и спрятаться. Объемный материал как будто экранирует и скрывает электрические заряды электронов друг от друга. Когда материал становится очень тонким, электронам уже негде спрятаться от заряда соседей. Кроме того, в нашей системе у них большая эффективная масса: они становятся менее подвижными и сильнее локализуются, поэтому взаимодействие между ними играет особенно важную роль.

И. И.: Представьте, что вместо одной комнаты у гостей появляется многоэтажное здание. У них возникает дополнительная степень свободы: от дискомфортной близости можно уйти на другой этаж. В трехмерном материале у электронов больше способов непрерывно двигаться в разных направлениях и избегать кристаллизации. Поэтому наблюдать вигнеровский кристалл там гораздо сложнее.

— Традиционно такие состояния изучают через электрические измерения или в сильных магнитных полях. Как именно свет «видит» вигнеровский кристалл? Что конкретно меняется в оптическом отклике материала при выстраивании электронов в решетку: цвет отражения, характер поглощения или что-то еще?

А. Ч.: Когда свет попадает в наш материал, он порождает экситоны — связанные состояния электрона и дырки. Здесь можно представить мяч, который сначала катят по гладкому асфальту, а затем по брусчатке. Электронная жидкость — это аналог гладкого асфальта, где все однородно, а жесткий электронный кристалл — аналог брусчатки. Когда экситоны взаимодействуют с этой решеткой, они начинают специфическим образом рассеиваться. В результате в спектре отраженного от материала света появляются дополнительные пики. Их появление и указывает на то, что в системе сформировалась электронная решетка.

И. И.: Можно представить и другую версию той же аналогии. Если поверхность ровная, брошенный в нее мяч отскакивает предсказуемо. Когда поверхность становится периодической, как брусчатка, возникают дополнительные направления рассеяния. Именно изменение характера рассеяния, связанное с появлением периодической электронной структуры, мы и видим в оптическом отклике.

— Новый подход почти бесконтактный. Насколько это упрощает эксперимент? Электрические контакты могут искажать состояние электронов в таком тонком материале или главная проблема — просто техническая сложность их создания?

А. Ч.: Электрические контакты действительно могут искажать состояние системы. Любое грубое вмешательство в квантовую систему на нее влияет. Это похоже на попытку измерить температуру снежинки горячим пальцем: как только вы прикоснулись, снежинка исчезла. При электрическом измерении тонких эффектов электронного упорядочения можно нарушить саму структуру, которую вы пытаетесь исследовать.

При этом контакты в нашей системе все же есть. Они очень тонкие, на основе графена или нескольких слоев графена. Они нужны, чтобы создавать электрическое поле и управлять числом электронов в структуре. Но считывание информации мы проводим не электрически, а оптически. Свет позволяет аккуратно зондировать материал и получать доступ к физике коррелированных состояний почти бесконтактным способом.

Такой подход упрощает эксперимент, но у него есть свои ограничения. Образец должен быть достаточно большим и однородным, чтобы свет можно было сфокусировать в нужной области, не задевая контакты и края структуры. Криостат должен позволять направлять свет на образец и поддерживать его при фиксированной температуре, а установка — быть стабильной, с минимальными вибрациями, иначе фокус будет смещаться.

— Обычно вигнеровский кристалл изучают в сильных магнитных полях. Почему поле помогало раньше и почему удалось отказаться от него в этом эксперименте? Это делает метод более доступным или просто расширяет возможности наблюдения?

И. И.: Это хорошо объясняется в рамках нашей аналогии. Магнитное поле эффективно делает электроны более тяжелыми и неповоротливыми. Чем сильнее поле, тем больше оно как будто навешивает тяжелые рюкзаки на гостей: они быстрее устают бегать и легче останавливаются в кристаллической решетке. В нашей двумерной системе взаимодействие между электронами оказалось настолько сильным, что следы вигнеровского кристалла удалось наблюдать и без магнитного поля.

А. Ч.: И благодаря этому эксперимент становится намного более доступным.

— Двумерные структуры с вигнеровским кристаллом могут стать основой для квантовых симуляторов. Чем такая платформа лучше других типов квантовых устройств — например, на основе сверхпроводников или ионов? И какие конкретные задачи она поможет решать, недоступные классическим суперкомпьютерам?

А. Ч.: Это большой и сложный вопрос. Существует много платформ, у каждой есть сильные и слабые стороны. Например, фотоны слабо взаимодействуют друг с другом, и это может быть проблемой. Холодные ионы нужно захватывать и точно контролировать, а добиться большого числа частиц в таких системах бывает сложно. В нашей системе все необходимые физические ингредиенты уже присутствуют. Мы не имитируем поведение электронов с помощью других частиц, а работаем с самими электронами, которые формируют нужные решетки. Среди преимуществ нашей платформы — большое число частиц и возможность настраивать параметры системы.

И. И.: Здесь важно разделить два класса устройств. Первый — универсальные квантовые компьютеры на холодных ионах, нейтральных атомах или сверхпроводниковых кубитах. Такой компьютер выполняет элементарные квантовые логические операции, объединяет их в более сложные схемы и в принципе может решать разные задачи. Но масштабирование таких устройств при одновременной защите от ошибок остается большой инженерной и научной проблемой.

Второй класс — специализированные квантовые симуляторы. Они не предназначены для любых задач, зато могут быть хорошо приспособлены к одной конкретной. В нашем случае речь идет о моделировании сложных материалов, их электронных и химических свойств. Если мы хотим создать новый сверхпроводник, термоэлектрик или магнитный материал, то его свойства часто чрезвычайно трудно рассчитывать на классическом компьютере, потому что электроны очень сильно связаны друг с другом. А каждый раз создавать новый материал и проводить полный набор экспериментов дорого.

Квантовый симулятор позволяет настроить параметры так, чтобы электроны в нем вели себя так же, как в интересующем нас материале. Дальше можно наблюдать, как развивается система, и делать выводы о свойствах материала. Важное отличие в том, что не нужно каждый раз создавать новую структуру: есть один симулятор, в котором можно, условно говоря, крутить ручки и воспроизводить разные условия.

А. Ч.: Для материаловедения это означает возможность моделировать свойства материала и подбирать параметры, при которых он будет обладать нужными характеристиками. Именно ради решения такой специализированной задачи и создается эта платформа.

И. И.: Здесь подходит аналогия с аэротрубой. Даже при наличии мощных классических компьютеров для некоторых аэродинамических задач делают макет самолета, помещают его в поток воздуха и смотрят, что происходит. Наш симулятор — такая аэротруба для квантовых материалов. Это не универсальное вычисление, а специализированная система, в которой можно менять параметры модели и наблюдать результат.

А. Ч.: Задачи, которые мы хотим решать на таком симуляторе, лежат именно в области, где классическому суперкомпьютеру либо не хватает вычислительной мощности, либо трудно построить подходящую модель. Мы аналоговым образом воспроизводим режимы, которые невозможно или крайне сложно рассчитать напрямую. В этом и состоит ценность симулятора.

И. И.: С точки зрения квантовых материалов мы сейчас находимся примерно в той же ситуации, что реактивная авиация до появления компьютеров, способных подробно рассчитывать полет. Самолеты уже нужно было проектировать, поэтому использовали аэротрубы. Универсальных квантовых компьютеров, на которых можно было бы все посчитать, пока нет, но новые материалы уже нужно проектировать и исследовать. Поэтому наши симуляторы и можно назвать аэротрубами для квантового материаловедения.

— Понимание коллективного поведения электронов важно для сверхпроводимости и необычного магнетизма. Как наблюдение вигнеровского кристалла может приблизить создание материалов с комнатной сверхпроводимостью или других революционных технологий или это пока сугубо фундаментальное знание?

А. Ч.: Квантовый симулятор — это площадка, на которой мы можем испытывать разные режимы. Управляя таким симулятором, мы хотим искать параметры, которые улучшают свойства высокотемпературных сверхпроводников или термоэлектриков. То есть для нас это путь к направленному дизайну материалов.

— Метод позволяет изучать состояния электронов в ультратонких материалах. Насколько он универсален? Будет ли он работать для других двумерных структур, помимо диселенида вольфрама, или для каждого материала потребуется своя теоретическая модель?

А. Ч.: Метод достаточно универсален. Материалы, о которых идет речь в публикации, обладают сложной экситонной структурой и сильным взаимодействием света с веществом. Поэтому наш оптический подход в принципе можно применять для поиска других сильно коррелированных состояний. Параметры системы можно подстраивать, например прикладывая напряжение и меняя концентрацию электронов. При этом для конкретного материала, вероятно, понадобится модель, учитывающая его особенности.

И. И.: Общая концепция останется той же: сложные электронные состояния можно детектировать оптически. У каждого материала будут свои тонкости, но, скорее всего, различия окажутся не качественными, а количественными. С такими различиями можно работать.

— Сколько времени и ресурсов потребовалось, чтобы разработать теоретическую модель и экспериментальный протокол? Насколько сложно воспроизвести этот эксперимент в других лабораториях и является ли метод масштабируемым для массовых исследований?

А. Ч.: Чтобы работа состоялась, потребовались серьезные усилия и команда с компетенциями в разных областях. Со стороны может показаться, что все просто: взяли тонкий слой материала, отделили его с помощью скотча, перенесли и измерили. Но в реальности здесь огромное количество нюансов. Именно они позволяют создавать структуры высочайшего качества. Выход хороших образцов невелик, а чтобы увидеть такой тонкий эффект, нужен большой опыт. Результат стал возможен благодаря компетенциям и инфраструктуре, которые создавались в лабораториях ИТМО и РКЦ/МФТИ.

И. И.: Главная сложность первой работы состояла в том, что мы не знали, получится ли вообще увидеть эффект. Многие технологические задачи становятся проще после того, как кто-то показал принципиальную возможность результата. С точки зрения воспроизведения наша система, несмотря на непростую технологию, сравнительно проста по отношению к другим платформам квантовых вычислений. Если у лаборатории есть хорошие образцы и квалифицированная команда, ей требуется намного меньше инфраструктуры: не нужны огромные сверххолодные криостаты или десятки лазеров для удержания атомов в оптической ловушке.

А. Ч.: При этом я бы не говорил, что эксперимент совсем простой. Нужны квалифицированная команда и определенные технологические ноу-хау, как собирать структуры, работать с материалами и проводить измерения. Но после того, как принцип уже показан, воспроизвести его в другой подготовленной лаборатории становится легче.

В перспективе мы хотим перевести такие симуляторы к более промышленным стандартам изготовления и интегрировать двумерные структуры с классической управляющей электроникой в гибридные вычислительные сопроцессоры. Это большая работа, которую нельзя выполнить за один подход, но именно в эту сторону мы движемся.

— Работа выполнена в рамках «дорожной карты» развития квантовых вычислений, реализуемой с 2020 года. Как это исследование вписывается в общую стратегию проекта? Есть ли уже практические результаты на основе этого метода — например, созданные прототипы или экспериментальные образцы?

И. И.: Экспериментальные образцы таких симуляторов уже есть. Они позволяют контролируемо включать и выключать вигнеровский кристалл и другие коррелированные фазы, работают обратимо и стабильно. Сейчас мы переходим к применению этого подхода в материаловедении. Например, нас интересует класс материалов с полезными термоэлектрическими свойствами — способностью преобразовывать тепло в электрический ток.

Термоэлектрические свойства могут усиливаться в материалах, где есть сильные электронные корреляции. Один из таких материалов, как нам сейчас кажется, можно моделировать на нашем симуляторе. Это работа на переднем крае, поэтому окончательного ответа у нас пока нет. Но мы рассчитываем, что одним из первых практических направлений станет квантовое материаловедение новых термоэлектриков.

А. Ч.: Под экспериментальным образцом мы понимаем не одну отдельную структуру, а весь комплекс, который позволяет проводить симуляции и измерения. Его можно назвать прототипом устройства-симулятора. Задача состоит в том, чтобы такие разработки не оставались лабораторными демонстрациями, а приносили пользу. Например, материал, который эффективнее преобразует лишнее тепло в электричество, может дать прямой экономический эффект.

Исследование напрямую вписывается в стратегию проекта. Квантовые вычисления включают не только универсальные квантовые компьютеры, но и специализированные симуляторы, которые должны решать полезные задачи. В нашем случае это прямое применение квантового подхода в материаловедении.

Беседовал Алексей Скорик