Новая форма кремния нацелена на квантовые вычисления

Jun 09, 2023

Некоторые из наиболее многообещающих квантовых компьютеров на сегодняшний день используют экзотические материалы и системы, включая сверхпроводящие материалы, охлажденные почти до абсолютного нуля, а также плавающие ионы и атомы, удерживаемые в электрических полях и лазерных ловушках. Однако знакомый старый кремний был бы гораздо более масштабируемым и удобным, если бы существовали надежные способы создания кубитов и квантовых схем так же легко, как обычные транзисторы и логические элементы.

Новая форма кремния под названием Q-кремний может стать подходящим решением, говорят его разработчики. Исследователи из Университета штата Северная Каролина, опубликовавшие материал в журнале Materials Research Letters, говорят, что он обладает свойствами, подходящими не только для квантовых вычислений, но и для литий-ионных батарей.

«Чтобы обмануть Мать-Природу, вам придется преодолеть термодинамические ограничения, поэтому вам придется сделать это очень, очень быстро». —Джей Нараян, Университет штата Северная Каролина

Кремний обычно бывает трех форм: кристаллический, атомы которого имеют упорядоченную структуру; аморфный, где атомы расположены хаотично; и поликристаллические, где более мелкие кристаллические единицы соединены случайным образом. В кристаллическом типе атомы кремния упакованы так же, как атомы углерода в алмазе: четыре атома образуют углы пирамиды.

Q-кремний имеет случайное расположение ромбовидных пирамид, что приводит к более плотной упаковке атомов и меньшему количеству свободного пространства. Джей Нараян, профессор материаловедения и инженерии в NCSU, и его коллеги создали Q-кремний, облучая аморфный кремний импульсами мощного лазера наносекундной длительности, а затем охлаждая его за одну пятую микросекунды.

Это достаточно быстро, чтобы традиционная термодинамика не смогла перестроить атомы обратно в одну из трех естественных форм кремния. «Чтобы обмануть Мать-Природу, вам придется преодолеть термодинамические ограничения, поэтому вам придется сделать это очень и очень быстро», — говорит Нараян.

Исследователи показывают, что Q-кремний обладает свойствами, невидимыми для обычного кремния. Во-первых, он ферромагнитен при комнатной температуре. Ферромагнетизм, свойство, благодаря которому материалы намагничиваются при помещении во внешнее магнитное поле, а затем сохраняют это намагниченное состояние. Ферромагнетизм обычно встречается в таких металлах, как железо и никель, и возникает из-за объемных свойств атомов твердого тела. Их магнитные диполи могут выравниваться внешними полями, а затем сохранять свое место, когда эти поля исчезают. Но если отдельные электроны в этих материалах удастся изолировать, спины этих электронов, которые сами по себе могут быть направлены вверх или вниз, или промежуточными квантовыми комбинациями этих двух, также могут быть использованы в качестве кубита, как средство кодирования квантовой информации.

Четное число электронов в углероде и кремнии обычно означает, что все их заряды существуют парами с противоположными спинами, которые нейтрализуют магнитные поля друг друга. Таким образом, инженеры и ученые-материаловеды обычно не могут сохранять и манипулировать спинами отдельных электронов в кремнии. По словам Нараяна, ферромагнетизм требует одиночных электронов или неспаренных спинов. Однако «благодаря быстрому плавлению и охлаждению мы можем создавать неспаренные спины, которые являются ферромагнитными», — говорит он. «Идея состоит в том, что если кремний может иметь непарный спин, то вы можете хранить информацию в этом спине».

Использование спина является сложной задачей, и люди пытались прочитать спиновые состояния атомов фосфора, имплантированных в кремний, чтобы найти путь к квантовым компьютерам. Нараян говорит, что Q-кремний может упростить использование спина атомов кремния. «Теперь вы можете создавать квантовые компьютеры и другие интересные приложения, — говорит он, — потому что Q-кремний ферромагнитен при комнатной температуре».

Более того, исследователи сообщают, что при легировании атомами бора Q-кремний становится сверхпроводящим. Известные сверхпроводники обычно проявляют свои сверхпроводящие свойства только при очень низких температурах, отсюда скептицизм, который встречается в любых сообщениях о сверхпроводниках при комнатной температуре.

Самые высокотемпературные сверхпроводники, известные на сегодняшний день, становятся сверхпроводящими при температуре ниже 130 К. Нараян и его коллеги говорят, что легированный бором Q-кремний переходит в сверхпроводимость при температуре 174 К.