Kvantumdatori jau pastāv, taču tie joprojām ir ļoti specializēti, praktiskā lietojuma ziņā ierobežoti un izmanto tikai nelielu daļu no potenciāla, ko šī tehnoloģija nākotnē varētu nodrošināt. Lai šo potenciālu labāk izprastu, zinātnieki pēta kvantu materiālus — vielas, kurās var pastāvēt vairāki konkurējoši elektronu stāvokļi.
Jauns starptautiskas pētnieku komandas pētījums, kas publicēts žurnālā Nature Physics, pievēršas divām lādiņa blīvuma viļņu jeb CDW fāzēm. Šīs salīdzinoši vienkāršās elektronu uzvedības formas pētnieki izmanto kā modeli, lai izprastu fāžu konkurenci sarežģītākos kvantu materiālos, tostarp tādos, kuriem piemīt supravadītspēja un magnētisms.
“Līdzīgi supravadītspējai, lādiņa blīvuma viļņi ir kolektīva parādība, kurā elektroni pārvietojas kopā noteiktos veidos,” skaidroja MIT fiziķis Jifans Su. Viņš norādīja, ka CDW ir daudz vienkāršāka vielas forma nekā supravadītspēja un tādēļ sniedz ērtu vidi fundamentālai izpētei.
Divas fāzes vienā kristālā
Eksperimentam pētnieki izvēlējās erbija ditelūrīdu — materiālu, kas spēj vienlaikus uzņemt divas CDW kārtības jeb atšķirīgus elektronu blīvuma modeļus, kas ietekmē vielas īpašības.
Temperatūrā, kas zemāka par aptuveni –8 °C, materiālā izveidojas viena dominējoša CDW fāze. Otrā parādās tikai zem aptuveni –113 °C un kristālā izkārtojas perpendikulāri pirmajai, izveidojot sava veida “šaha galdiņa” rakstu. Šo konkurējošo fāžu izpēte līdzsvara stāvoklī ir sarežģīta, jo nepieciešama ārkārtīgi zema temperatūra.
“Mehānisms, kas atbild par šīs otrās fāzes rašanos, ilgu laiku ir bijis diskusiju objekts. Mūsu pieeja sniedz jaunu iespēju atklāt slēpto fiziku kvantu materiālu fāžu pārejās,” sacīja MIT fiziķis Nūhs Gediks.
Lāzers atklāj atšķirīgu atjaunošanās mehānismu
Lai novērotu, kas notiek ar abām fāzēm, komanda izmantoja divus īsus un intensīvus lāzera impulsus. Pirmais impulss satricināja savstarpēji krustojošos elektronu fāžu “šaha galdiņu”, liekot tam veidoties no jauna. Otrais impulss ļāva izmērīt, kā CDW struktūra atjaunojas.
Pētnieki konstatēja, ka dominējošā fāze atgriezās paredzami — pakāpeniski un vienmērīgi. Savukārt otrā fāze atjaunojās citādi: tā vispirms parādījās atsevišķos apgabalos jeb aizmetņos, kas pēc tam izplatījās caur materiālu. Šis process atgādināja ledus kristālu veidošanos, ūdenim sasalstot.
Rezultāti liecina, ka abas CDW fāzes veidojas, izmantojot būtiski atšķirīgus mehānismus. Tas palīdz atbildēt uz vienu no plašākiem fizikas jautājumiem: kāpēc dažos materiālos iespējamas vairākas fāzes, bet citos ne, un kā šīs fāzes savstarpēji mijiedarbojas — vai tās cita citu pastiprina, konkurē vai pastāv neatkarīgi.
Pētnieki uzskata, ka iegūtās atziņas nākotnē varētu palīdzēt izprast sarežģītākus materiālus, piemēram, augstas temperatūras supravadītājus, kuros vienlaikus pastāv magnētisms, supravadītspēja un lādiņa blīvuma viļņi. Līdzīga lāzera impulsu metode varētu tikt izmantota arī šo vielu izpētē.
Ilgtermiņā šādas zināšanas varētu būt nozīmīgas jaunas paaudzes elektronikai. Kvantu materiāli ar vairākām līdzās pastāvošām fāzēm tiek uzskatīti par iespējamu pamatu silīcija aizstāšanai, taču tam būtu nepieciešama ļoti precīza šo fāžu veidošana un kontrole. Pētījuma līdzvadītājs Alfrēds Zongs, kurš darbu veica kā MIT doktorants un tagad strādā Stenfordas Universitātē, norādīja, ka eksperiments piedāvā īpaši skaidru veidu, kā šīs vairākas fāzes pētīt.
Tehnoloģijas
Tehnoloģijas
Tehnoloģijas
Tehnoloģijas