С помощью кристаллов закиси меди исследователи создали ридберговские поляритоны с выдающимися характеристиками. Эти квазичастицы могут послужить основой для квантовых вычислителей, но кристаллы нужного качества удалось обнаружить исключительно в природе.
На первый взгляд оксид меди (I) Cu2Оксид меди, также известный как закись меди, встречается довольно часто, особенно у тех, кто работает с электричеством. Образуется при окислении меди в условиях недостатка кислорода. Эта матовая рыжеватая пленка на проводе, вместе с запахом горелой проводки — верный признак перегрева провода и потери изоляции, что указывает на неисправность в электросхеме.
Но если вырастить монокристалл из этого соединения, то лягушка превратится в принцессу. солнечных батарей и электронных компонентовСамое удивительное в оксиде меди — оптические свойства, позволяющие монокристаллам радовать как ювелиров, так и физиков. Свет определённых длин волн активно взаимодействует с атомами меди и кристаллической структурой Cu. 2Распространяясь по ней, оно вызывает необычные и полезные эффекты.
Учёные из Сент-Эндрюсского университета под руководством Хамида Охади совместно с коллегами из Гарвардского, Университета Маккуори и Орхусского университетов. сумели получитьВ монокристалле закиси меди обнаружены ридберговские поляритоны с выдающимися характеристиками. Для освещения их открытия и преодоленных препятствий, первоначально остановимся на понятии квазичастиц и позиции ридберговских поляритонов в этом ряду.
Частицы и квазичастицы
Классические элементарные частицы — фундаментальные блоки материи. Могут быть действительно элементарными, например, электронами и фотонами, или составными, как протон и нейтрон, но могут существовать в вакууме независимо от всего остального. В отличие от этого, квазичастицыВозникают в средах, отличающихся от вакуума, таких как плазма или кристаллическая решетка, и сохраняются в её присутствии.
Граница между частицами и квазичастицами размыта. Электрон в полупроводнике может быть как одним, так и другим – это просто разные аспекты одной сущности. Квазичастицей называют носитель заряда, движущийся в кристаллической решетке, потому что его свойства при этом меняются по сравнению с вакуумными и различаются при переходе из одного кристалла в другой. Эффективная массаПоведение электронов в кристаллах может существенно отличаться от их истинного поведения.
Извлечение электрона из кристалла при помощи фотоэффекта и размещение его в вакууме преобразует его из квазичастицы обратно в обычный электрон.
Какова природа других квазичастиц? Для ответа обратимся к квантовой механике.
Одно из её главных свойств — дискретность физических величин, проявляющаяся в микромире и доминирующая на масштабах атомов, молекул и химических связей. Это прослеживается благодаря волновым свойствам частиц и какому-либо ограничению, наложенному на функцию.
Вокруг атомного ядра может уместиться только целое число периодов волновой функции электрона. главного квантового числа, n.
Главные квантовые числа определяют среднее расстояние электрона от ядра и энергетические уровни. Связь электрона с ядром обратно пропорциональна расстоянию, а её энергия принимает только чётко заданные значения. Переход между уровнями сопровождается излучением или поглощением фотона – кванта света, который можно представить как скачок амплитуды колебания электромагнитной волны.
Этот метод применим ко многим системам и явлениям, упрощая их описание и изучение. Если величина (например, энергия колебаний стоячей волны в оптическом резонаторе) может меняться только ступенчато, часто изменение можно представить появлением или исчезновением соответствующей (квази)частицы.
Во многих явлениях твердых тел можно описывать таким же образом. Физика твердого тела весьма многогранна: в ней присутствуют взаимодействия ионов с носителями заряда (электронами или). отсутствиемВозникновение энергии связана с различными колебаниями среды, образованной носителями заряда, самими кристаллами и взаимодействием с квантами электромагнитного излучения, а также множеством других факторов.
Квазичастицы-колебания: фононы:
В твердых телах квантовая природа проявляется даже в звуке, который обычно воспринимается как непрерывные волны. Связь между периодом кристаллической решетки и длиной волны звуковых колебаний ограничивает распространение механических колебаний. Квант колебаний кристаллической решетки называется… фононом.
Фононы позволяют описать не только акустические, но и тепловые колебания кристаллической структуры. Повышение температуры твердого тела увеличивает число фононов, движущихся внутри него, что дает возможность точного воспроизведения некоторые тепловые свойства твердых тел.
Плазмоны:
Электроны проводимости в металле составляют отдельную среду с сильным взаимодействием. Высокая концентрация этих электронов заставляет каждый из них ощущать множество соседей. Благодаря этому в их среде распространяются волны, также подверженные квантовым явлениям.
Квант колебаний электронной «жидкости», а также других сред с заметным электростатическим взаимодействием между частицами называется… плазмоном.
Плазменные колебания обладают предельной частотой, увеличивающейся с концентрацией частиц. Фотоны с частотой, превосходящей плазмонную частоту, могут беспрепятственно распространяться в среде, так как электроны не успевают за частотой колебаний электромагнитного поля фотона. Вот почему радиоволны низкой частоты отражаются от ионосферы, а металлы имеют блестящую поверхность. В них концентрация электронов достаточно высока для отражения фотонов видимого света.
Экситоны: атомоподобные квазичастицы:
Фотон, поглощенный полупроводником, обычно освобождает электрон от атома, который начинает двигаться по кристаллической структуре. При недостатке энергии фотона для полного разрыва связи между ионом и электроном возможно образование возбужденного атома, при котором электрон удаляется от узла решетки, но сохраняет с ним слабую связь. Совокупность узла решетки и слабо связанного с ним электрона называется… экситономПодобно возбуждённым атомам, при увеличении главного квантового числа электрона растёт расстояние его от первоначального атома.
Ридберговские атомы и экситоны:
В обычном состоянии размеры атомов малы, а энергия связи внешних электронов велика. электронвольтЕсли дать электрону энергию, немного меньше, чем энергия его связи, его можно поместить на высокую орбиту, оставаясь при этом связанным с атомом. ридберговским атомомРазмеры атомов, выраженные как среднее расстояние электрона от ядра, увеличиваются пропорционально квадрату главного квантового числа. Энергия связи же уменьшается обратно пропорционально квадрату этого же числа.
В отсутствие внешних воздействий ридберговские атомы демонстрируют высокую стабильность. могут достигатьДесятых долей миллиметра по размеру и существующие секунды — в сотни миллионов раз дольше. времени жизниОбычные возбужденные состояния атомов характеризуются высокой энергией связи. Из-за низкой энергии связи ридберговские атомы очень чувствительны к внешним воздействиям, поэтому для их изучения в лаборатории требуются тщательно экранированные и охлажденные установки. Ридберговский атом, состоящий из протона и электрона с главным квантовым числом 100, имеет энергию связи 1,36 миллиэлектронвольтов. Это соответствует средней энергии теплового движения при температуре 15 К (–258 °C). оДля обеспечения устойчивости систему требуется более сильное охлаждение.
Атомы Ридберга и подобные им структуры могут стать одним из ключевых элементов в создании квантового компьютера. Благодаря большим размерам и малой энергии связи электрона с центром они обладают высокой поляризуемостью и способны сильно взаимодействовать друг с другом. Состояния, связанные атомами Ридберга, могут длительное время сохраняться. когерентностьФункции волны, становясь таковыми физической основой. кубитов в квантовых вычислениях.
Ридберговские атомы могут быть особенно полезны для квантовых симуляторов — специального вида квантовых компьютеров, которые позволяют моделировать поведение физических и химических систем, отображая их свойства в массиве кубитов. очень широкиВключает в себя оптимизацию составов высокотемпературных сверхпроводников и изучение их свойств, повышение эффективности процессов синтеза удобрений, изучение процесса свертывания белков и повышение эффективности лекарств, и многое другое.
Удивительные свойства ридберговских атомов можно узнать из других источников. здесь.
Ридберговские экситоны, как и ридберговские атомы, могут иметь высокое главное квантовое число и достигать почти макроскопических размеров. В закиси меди были полученыЭкзитоны огромных размеров, чье главное квантовое число достигает 25, а диаметр может составлять несколько микрон.
Поляритоны:
В интенсивном взаимодействии фотонов со средой их существование проявляется в виде квазичастиц. Фотон поглощается с образованием экситона или другой квазичастицы, а затем переизлучается при её уничтожении. На самом деле никаких превращений не происходит — поляритонПросто в некоторой степени является как фотоном, так и порожденной им квазичастицей. Таких квазичастиц можно назвать «гибридом света и материи». Тип поляритона определяется тем, с какими квазичастицами фотон взаимодействует, а это взаимодействие тем сильнее, чем точнее совпадение частот. волновых векторовФотоны и квазичастицы образуют различные типы поляритонов: экcитоновые, плазмонные, фононовые и множество других.
Возможность существования фононного поляритона при расхождении скоростей света и звука на сотни тысяч раз обеспечивается за счет падения. групповой скоростиСкорость света в материале определяется скоростью распространения фотона с присоединённым «облаком возмущений». Квазичастицы словно висят на фотоне, задерживая его движение — таким образом объясняют это явление физики. «останавливали свет»С помощью бозе-эйнштейновских конденсатов. При совпадении параметров нескольких типов квазичастиц могут возникнуть гибриды, где всё взаимодействует со всем.
Эти явления, обычно наблюдаемые только в экзотических состояниях материи, проявились также в монокристаллах закиси меди. Групповая скорость фотонов определенных энергий снижается до скорости звука. Более того, свет в оксиде меди интенсивно взаимодействует с фононами и экситонами, формируя квазичастицы, названные физиками фоноритонами.
Ридберговские поляритоны и квантовые компьютеры
Как следует из названия, ридберговские поляритоны — это гибрид фотона и ридберговского эксона.
Ридберговские поляритоны как основа для квантового компьютера превосходят ридберговские атомы. Их формирование в кристалле полупроводника не нуждается в сверхвысоком вакууме, а извлечение информации проще, чем из системы кубитов на ридберговских атомах. Также поляритоны демонстрируют сильную связь с фотонами.
Имея кубитовые состояния в твердом теле есть обратная сторона медали: к способам разрушения хрупкого ридберговского состояния добавляются столкновения с дефектами кристаллической решетки и другими квазичастицами, составляющими «население» кристалла. Фононы, обладающие энергией порядка миллиэлектронвольт, не влияют на обычные химические связи, но легко разрушают ридберговские экситоны.
Фононы можно устранить охлаждением кристалла до температуры жидкого гелия. С дефектами ситуация сложнее: энергия взаимодействия электрона с дефектом может достигать единиц электронвольт. Если среди миллионов или миллиардов узлов решетки, по которым «гуляет» электрон ридберговского экситона, окажется хотя бы один дефект, электрон перестанет быть частью экситона, поляритона и кубита, потеряв при этом всю связанную с этим информацию.
Природа vs. лаборатория
Человечество освоило выращивание больших бездефектных кристаллов полупроводников, необходимых электронной промышленности. Закись меди пока в этот список не входит. Соединение склонно окисляться до оксида меди (II) и восстанавливаться до элементарной меди. Небольшие изменения условий, например температуры или состава среды роста, приводят к множеству дефектов – анионных или катионных вакансий. купроксный выпрямительПолупроводниковый диод из закиси меди, несмотря на кажущуюся простоту, не так-то прост в изготовлении. На процесс изготовления влияет скорость выращивания кристалла, к которой закись меди очень чувствительна. Контроль условий люди научились осуществлять, но бороться с дефектами путем уменьшения скорости выращивания кристалла гораздо сложнее.
Природа оказала помощь физикам, которым были доставлены рекордные поляритоны. В лабораториях и промышленных комплексах кристаллы культивируются несколько суток или недель. методу ЧохральскогоТолько недавно исполнилось столетие. Но природа не испытывает недостатка во времени — у неё тысячи и миллионы лет. Кроме того, глубоко в земных недрах, в геотермальных системах, могут создаваться подходящие окислительно-восстановительные условия, при которых закись меди устойчива и удерживается там в течение геологических интервалов времени. Оказалось, что природные кристаллы закиси меди, или минерала куприта, достаточно совершенны для получения и изучения в них ридберговских поляритонов. Природа смогла обойти человека в создании материалов не только для ювелирного дела, но и для науки!
Физики применили сростки кристаллов куприта, добытые в руднике Намибии. Вырезали из них пластинки толщиной 30 микрон и покрыли их полупрозрачными зеркальными слоями. резонатор Фабри-ПероДля превращения лазерного излучения в стоячую волну и усиления взаимодействия фотонов с экситонами пластинки охладили до температуры на 1,2 градуса выше абсолютного нуля, чтобы уберечь поляритоны от разрушительного воздействия фононов, и накачали резонатор лазерным светом с длиной волны около 590 нм. Главное квантовое число полученных ридберговских поляритонов достигало шести, что уступает рекорду для простых экситонов, но в поляритонах достигнуто впервые.
В драгоценных камнях куприта таится поразительная глубина. Темный блеск кристаллов скрывает удивительные квантовые явления, редкие для столь простых соединений. Само соединение пригодно как для примитивных устройств начала электронной эры, так и для квантовых технологий на острие прогресса.
Интересно, что природные ресурсы применяются для высокотехнологичных научных экспериментов. В фильме 2009 года «Аватар» Джеймс Кэмерон описал подобную ситуацию: землянам необходимо было отправиться в соседнюю звездную систему за сверхпроводником унобтанием.
Унобтаний — это ироничное наименование чего-то необычайно редкого, ценного или попросту недостижимого, являющегося необходимым для выполнения определенной задачи.
В среде почитателей «тяжелой» фантастики такой прием считается дурным тоном, так как химические элементы и образуемые ими соединения везде одинаковы. Человек изобретательнее природы в достижении целей. Нейтронные звезды и недра газовых гигантов исключение — формы материи при сверхвысоких давлениях и магнитных полях нельзя получить в лаборатории, но и существуют «только там». Вернувшись в более привычные условия, они сразу бы распались на знакомые нам соединения, кристаллические структуры и химические элементы, как правило, с мощнейшим взрывом.
Представление об этом оказалось не совсем верным. Природа обладает одним инструментом, которым мы ей отстаем — временем, которое создаёт устойчивые материалы. Надеемся, что если ридберговские поляритоны в оксиде меди проявят свою эффективность в качестве основы квантовых компьютеров, то будет найден способ получения их в виде бездефектных монокристаллов, и куприт не станет унобтанием!