Ученым удалось создать ридберговские поляритоны с выдающимися характеристиками, используя кристаллы оксида меди. Эти квазичастицы обладают потенциалом для разработки квантовых компьютеров, однако кристаллы необходимого качества можно найти только в природных условиях.
На первый взгляд оксид меди (I) Cu2О, или закись меди – довольно распространенное вещество, особенно известное тем, кто работает с электричеством. Оно образуется при окислении меди в условиях дефицита кислорода. Эта матовая, рыжеватая пленка на проводе, а также запах горелой проводки, указывают на то, что провод перегрелся, потерял изоляцию и в электросхеме существует проблема.
При определенных условиях, из этого соединения можно получить монокристалл, что, по аналогии, можно сравнить с превращением лягушки в принцессу. Закись меди – это полупроводник, пригодный для изготовления солнечных батарей и электронных компонентов. Особый интерес представляют оптические характеристики оксида меди, обуславливающие возможность использования его монокристаллов как в ювелирном деле, так и в физических исследованиях. Атомы меди и кристаллическая структура Cu демонстрируют интенсивное взаимодействие с излучением определенных длин волн 2Благодаря этому процессу, происходящему в ней, возникают неординарные и ценные эффекты.
Ученые из Сент-Эндрюсского университета во главе с Хамидом Охади, совместно с исследователями из Гарвардского университета, Университета Маккуори и Орхусского университета сумели получить в монокристалле закиси меди ридберговские поляритоны с рекордными параметрами. Чтобы объяснить суть их достижения и встреченные ими сложности, сначала расскажем о том, что такое квазичастицы и какое место среди них занимают ридберговские поляритоны.
Частицы и квазичастицы
«Фундаментальные элементарные частицы представляют собой основные строительные блоки, из которых состоит материя. Эти частицы могут быть действительно элементарными, например, электроны и фотоны, либо сложными, как протоны и нейтроны, но способны существовать в свободном состоянии, вне зависимости от окружающей среды. В отличие от них, квазичастицы образуются в среде, отличной от вакуума, например в плазме или кристаллической решетке, и существуют «на фоне» этой среды.
Разграничить частицы и квазичастицы достаточно сложно. Электрон в полупроводнике может быть интерпретирован как то и другое, поскольку это лишь различные аспекты одного и того же явления. Под квазичастицей понимают носитель заряда, перемещающийся в кристаллической решетке, поскольку его характеристики отличаются от таковых в вакууме и изменяются при переходе между различными кристаллами. Эффективная масса электрона в кристаллах может в десятки раз отличаться от истинной. Но если извлечь электрон из кристалла с помощью фотоэффекта и поместить в вакуум, он перестанет быть квазичастицей и останется обычным электроном.
Какие квазичастицы возникают, и какова их природа? Для понимания этого вопроса необходим небольшой отступление в область квантовой механики. Одним из ключевых аспектов этой теории является дискретность физических величин, которая становится очевидной в микромире и играет решающую роль на масштабах атомов, молекул и химических связей. Это проявление обусловлено волновыми свойствами частиц и определенными ограничениями, налагаемыми на волновую функцию. Вокруг атомного ядра может существовать только число периодов волновой функции электрона, кратное целому числу. Это выражается с помощью главного квантового числа, n.
Различные главные квантовые числа определяют разные средние расстояния электрона от ядра и, следовательно, различные энергетические уровни. Энергия связи электрона с ядром, которая обратно пропорциональна этому расстоянию, может принимать лишь строго определенные значения. Переход между этими уровнями сопровождается излучением или поглощением кванта света, фотона, что можно интерпретировать как скачкообразное изменение амплитуды колебания электромагнитной волны.
Данный метод универсален и существенно облегчает описание и изучение разнообразных систем и явлений. В случаях, когда определенная величина (например, энергия колебаний стоячей волны в оптическом резонаторе) может изменяться лишь дискретно, ее изменение нередко можно интерпретировать как возникновение или аннигиляцию соответствующей (квази)частицы.
Подобные закономерности применимы к описанию множества явлений в твердых телах. Область физики твердого тела отличается большим разнообразием и включает взаимодействия ионов с носителями заряда, такими как электроны или их отсутствие отсутствием), широкий спектр флуктуаций в среде, состоящей из носителей заряда, колебания кристаллической решетки, взаимодействие с фотонами электромагнитного излучения и другие факторы.
Квазичастицы-колебания: фононы:
Даже в твердых телах звук демонстрирует свою квантовую сущность, поскольку в повседневном опыте он воспринимается как непрерывная волна. Это связано с тем, что период кристаллической решетки и длина волны звуковых колебаний находятся в определенной зависимости, что накладывает ограничения на распространение механических колебаний. Квант колебаний кристаллической решетки называется фононом.
Фононы позволяют описывать не только звуковые, но и тепловые колебания кристаллической решетки. Повышение температуры твердого тела ведет к увеличению числа фононов, существующих в нем, и такое описание дает возможность точно воспроизвести некоторые тепловые свойства твердых тел.
Плазмоны:
Электроны, участвующие в проводимости металлов, образуют плотную и тесно связанную среду. Их высокая концентрация приводит к тому, что каждый электрон взаимодействует с большим количеством окружающих. Это позволяет распространяться волнам, которые, в свою очередь, демонстрируют квантовые эффекты. Квант колебаний электронной «жидкости», а также других сред, характеризующихся значительным электростатическим взаимодействием между частицами, называется плазмоном.
Плазменные колебания характеризуются максимальной частотой, которая увеличивается с ростом концентрации частиц. Фотоны, частота которых выше плазменной, способны свободно распространяться в среде, так как электроны не успевают следовать за частотой колебаний электромагнитного поля, создаваемого фотоном. По этой причине радиоволны низкой частоты отражаются от ионосферы, а металлы обладают блестящей поверхностью – концентрация электронов в них достаточно высока для отражения фотонов видимого света.
Экситоны: атомоподобные квазичастицы:
Обычно фотон, поглощенный полупроводником, высвобождает электрон из атома и обеспечивает его перемещение в кристаллической структуре. Если энергия фотона лишь немного меньше энергии, удерживающей ион и электрон, может возникнуть процесс, схожий с образованием возбужденных атомов. В этом случае электрон удаляется от узла кристаллической решетки, но при этом сохраняет слабую связь с ним. Данное сочетание узла кристаллической решетки и слабо связанного с ним электрона называется экситоном. Подобно возбужденным атомам, чем выше значение главного квантового числа электрона, тем дальше он находится от ядра атома.
Ридберговские атомы и экситоны:
В основном состоянии атом имеет небольшие размеры, а энергия связи внешних электронов велика. Как правило, эти параметры находятся в пределах десятых долей нанометра и единиц электронвольт. Если электрону сообщить энергию, немного меньшую, чем энергия его связи, его можно поместить на весьма удалённую «орбиталь», оставив при этом связанным с атомом. Это состояние именуется ридберговским атомом. Размеры атомов, определяемые как среднее расстояние электрона от ядра, увеличиваются пропорционально квадрату главного квантового числа, в то время как энергия связи уменьшается обратно пропорционально квадрату этого числа.
В отсутствие внешних воздействий атомы, находящиеся в ридберговском состоянии, демонстрируют высокую стабильность. В космосе они могут достигать десятых долей миллиметра в размере и существовать секунды — в сотни миллионов раз дольше времени жизни обычных возбужденных состояний атомов. Однако из-за низкой энергии связи они очень восприимчивы к внешним возмущениям, и для их лабораторного изучения требуются тщательно экранированные и охлажденные установки. У ридберговского атома, состоящего из протона и электрона с главным квантовым числом 100, энергия связи составляет 1,36 миллиэлектронвольта. Это соответствует средней энергии теплового движения при температуре 15 К (–258 оДля обеспечения стабильности необходимо значительно более интенсивное охлаждение установки!
Ридберговские атомы и структуры, подобные им, могут стать важным шагом на пути к созданию квантового компьютера. Благодаря своим большим размерам и слабой связи электрона с ядром, они характеризуются высокой поляризуемостью и способны к значительному взаимодействию между собой. Состояния, связанные с ридберговскими атомами, могут длительное время сохранять когерентность волновой функции и таким образом являться физической основой кубитов в квантовых вычислениях.
Ридберговские атомы демонстрируют значительный потенциал в качестве основы для квантового симулятора – специализированного типа квантового компьютера, предназначенного для моделирования поведения физических и химических систем. Принцип работы квантового симулятора заключается в прямом отображении свойств этих систем на массив кубитов очень широки. В перечень исследований входят оптимизация составов высокотемпературных сверхпроводников и изучение их характеристик, повышение эффективности производства удобрений, исследование механизма свертывания белков, а также повышение эффективности лекарственных препаратов и другие направления.
Более подробную информацию об удивительных свойствах атомов Ридберга можно найти здесь.
Экситоны с большим главным квантовым числом, аналогично ридберговским атомам, также способны приобретать размеры, близкие к макроскопическим. В закиси меди были получены гигантские экситоны с главным квантовым числом до 25 и размером до нескольких микрометров.
Поляритоны:
Квазичастицы возникают в результате интенсивного взаимодействия фотонов и среды, в которой они перемещаются. Каждый фотон последовательно поглощается, приводя к образованию экситона или другой квазичастицы, и затем переизлучается при аннигиляции. В действительности, разумеется, никаких реальных превращений не происходит — поляритон просто в некоторой степени является и фотоном, и порожденной им квазичастицей. Таким образом, эти квазичастицы можно назвать «гибридом света и материи». Тип поляритона определяется тем, с какими квазичастицами фотон взаимодействует, а это взаимодействие тем сильнее, чем точнее совпадение частот и волновых векторов фотона и квазичастицы. Бывают экситонные, плазмонные, фононные и многие другие поляритоны.
Как сочетаются фононные поляритоны, учитывая, что скорости света и звука отличаются в сотни тысяч раз? Возможность их существования обусловлена падением групповой скорости света в материале, то есть скорости распространения фотона вместе со связанными «облаком возмущений». Квазичастицы как бы «повисают» на фотоне, замедляя его распространение — именно так физики «останавливали свет» с помощью бозе-эйнштейновских конденсатов. А при совпадении параметров нескольких типов квазичастиц возможно появление гибридов, в которых «всё взаимодействует со всем».
Обычно подобные эффекты проявляются лишь в необычных состояниях вещества, однако они были зафиксированы и в монокристаллах закиси меди. Групповая скорость фотонов с определенной энергией в этих кристаллах снижается почти до скорости звука. Кроме того, в оксиде меди свет активно взаимодействует как с фононами, так и с экситонами, что приводит к формированию квазичастиц, получивших название фоноритонов.
Ридберговские поляритоны и квантовые компьютеры
Ридберговские поляритоны, согласно их названию, представляют собой гибрид фотона и ридберговского экситона.
Ридберговские поляритоны имеют ряд преимуществ по сравнению с ридберговскими атомами при использовании в качестве основы для квантового компьютера. Они формируются в кристалле полупроводника, что исключает необходимость создания сверхвысокого вакуума, а извлечение информации из них более простое, чем из кубитов, основанных на ридберговских атомах. Кроме того, поляритоны демонстрируют сильное взаимодействие с фотонами.
У кубитов на твердотельном субстрате есть и недостатки. В твердом теле, помимо факторов, разрушающих уязвимое ридберговское состояние, возникают взаимодействия с дефектами кристаллической структуры и другими квазичастицами, присутствующими в кристалле. Фононы, обладающие энергией около миллиэлектронвольта, не оказывают влияния на обычные химические связи, однако способны разрушать ридберговские экситоны.
Охлаждение кристалла до температуры жидкого гелия позволяет подавить влияние фононов, однако устранение дефектов представляет собой значительно более сложную задачу. Энергия, затрачиваемая на взаимодействие электрона с дефектом, может достигать нескольких электронвольт. Даже если среди миллионов или миллиардов узлов решетки, вдоль которых движется электрон ридберговского экситона, поляритона и кубита, присутствует всего один дефект, электрон утратит связь с экситоном, поляритоном и кубитом, а также всю соответствующую информацию.
Природа vs. лаборатория
Люди освоили выращивание крупных, безупречных кристаллов полупроводников, необходимых для производства электроники. Однако закись меди пока не относится к их числу. Данное соединение склонно как к окислению до оксида меди (II), так и к восстановлению до металлической меди. Незначительные изменения в условиях, например, температура или состав среды выращивания, вызывают образование значительного количества дефектов — анионных или катионных вакансий купроксный выпрямитель, полупроводниковый диод из закиси меди, несмотря на кажущуюся простоту, сложен в производстве. На процесс выращивания кристалла также влияет скорость, к которой закись меди весьма восприимчива. Контроль условий производства представляется решаемым, однако снижение дефектов путем уменьшения скорости роста кристалла — задача значительно более сложная.
Природа содействовала физикам, получившим наши рекордные поляритоны. В земных лабораториях и промышленных условиях выращивание кристаллов занимает несколько дней или недель. Даже искусственные кристаллы, выращенные за столетие, не применимы — к примеру, для выращивания кремниевых кристаллов, используемых в процессорах методу Чохральского только недавно исполнилось столетие. Но природа не испытывает недостатка во времени — она располагает тысячами и миллионами лет. Кроме того, глубоко в земных недрах, в геотермальных системах, могут создаваться подходящие окислительно-восстановительные условия, при которых закись меди устойчива, и удерживаться там в течение геологических интервалов времени. Оказалось, что природные кристаллы закиси меди, или минерала куприта, достаточно совершенны для того, чтобы получать и изучать в них ридберговские поляритоны. Природа смогла обойти человека в создании материалов не только для ювелирного дела, но и для науки!
Для проведения исследований физики применили кристаллы куприта, полученные в намибийском руднике. Из них были вырезаны пластинки толщиной 30 микрометров, которые затем покрыли полупрозрачными зеркальными слоями, создав таким образом резонатор Фабри-Перо. Для формирования стоячей волны лазерного излучения и повышения эффективности взаимодействия фотонов с экситонами это необходимо. Чтобы защитить поляритоны от влияния фононов, образцы были охлаждены до температуры на 1,2 градуса выше абсолютного нуля, после чего резонатор накачивался лазерным светом с длиной волны приблизительно 590 нм. Полученные ридберговские поляритоны характеризовались главным квантовым числом, достигавшим шести, что является первым случаем достижения подобного результата для данных образований.
Поразительна глубина, заключенная в драгоценных камнях куприта. Темный блеск этих кристаллов свидетельствует об удивительных квантовых явлениях, которые редко наблюдаются в подобных соединениях. Куприт может найти применение как в примитивных электронных устройствах, появившихся в начале эры электроники, так и в передовых квантовых технологиях.
Необходимо также подчеркнуть уникальность сложившихся обстоятельств: использование природного сырья для проведения передовых научных экспериментов. В 2009 году Джеймс Кэмерон представил нечто подобное в фильме «Аватар», где землянам предстояло совершить полет в другую звездную систему ради добычи природного сверхпроводника, названного унобтанием (unobtanium — «недоступный материал»).
Унобта́ний — это ироничное наименование чрезвычайно редкого, дорогостоящего или физически недостижимого материала или вещества, которое требуется для реализации определенной задачи (чаще всего используется в художественной литературе или теоретических исследованиях)
В среде поклонников «твердой» фантастики подобный ход не приветствуется, так как химические элементы и соединения, формирующиеся из них, повсеместно идентичны, а человеческие возможности зачастую превосходят естественные в достижении поставленных целей. Исключение составляют нейтронные звезды и внутренности газовых гигантов — эти формы материи, возникающие при экстремальных давлениях и магнитных полях, невозможно воспроизвести в лабораторных условиях, и они встречаются исключительно в данных космических объектах. По возвращении в обычные условия они немедленно разрушились бы до известных нам соединений, кристаллических структур и химических элементов, нередко сопровождаясь мощным взрывом.
Представление об этом оказалось не совсем точным. Природа обладает инструментом, в использовании которого мы значительно отстаем, но который способен создавать прочные материалы — время. Мы надеемся, что если ридберговские поляритоны в оксиде меди подтвердят свою эффективность как основа для квантовых компьютеров, то будет найден способ их получения в виде безупречных монокристаллов, и куприт не останется недостижимым!