В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи из Университета Райса и Венского технологического университета (TU Wien) в Австрии изучили поведение интерметаллического кристалла церия, палладия и кремния, когда он подвергался воздействию сильного холода и сильное магнитное поле. К своему удивлению, они обнаружили, что могут трансформировать квантовое поведение материала двумя уникальными способами: один, в котором электроны соревнуются, чтобы занять орбитали, а другой, где они конкурируют, чтобы занять спиновые состояния.
«Эффект настолько выражен с одной степенью свободы, что в конечном итоге освобождает другую», – сказал Цимиао Си Райс, соавтор исследования и директор Райс-центра квантовых материалов (RCQM). "Вы можете существенно настроить систему, чтобы максимизировать ущерб одному из них, оставив другой четко определенным."
Си сказал, что результат может быть важен для таких компаний, как Google, IBM, Intel и других, которые соревнуются в разработке квантовых компьютеров.
В отличие от современных цифровых компьютеров, которые используют электричество или свет для кодирования битов информации, квантовые компьютеры используют квантовые состояния субатомных частиц, таких как электроны, для хранения информации в кубитах. Практический квантовый компьютер может превзойти свой цифровой аналог во многих отношениях, но технология все еще находится в зачаточном состоянии, и одним из главных препятствий является хрупкость квантовых состояний внутри кубитов.
«Вам нужно четко определенное квантовое состояние, если вы хотите быть уверены, что информация, которая хранится в кубите, не изменится из-за фоновых помех», – сказал Си.
Каждый электрон действует как вращающийся магнит, и его спин описывается одним из двух значений: вверх или вниз. Во многих конструкциях кубитов информация закодирована в этих вращениях, но эти состояния могут быть настолько хрупкими, что даже небольшое количество света, тепла, вибрации или звука может заставить их переключаться из одного состояния в другое.
По словам Си, сведение к минимуму информации, которая теряется из-за такой «декогеренции», является серьезной проблемой при проектировании кубитов.
В новом исследовании Си работал с давним сотрудником Силке Пашен из TU Wien, чтобы изучить материал, в котором квантовые состояния электронов скремблированы не только с точки зрения их спинов, но и с точки зрения их орбиталей.
«Мы разработали систему, реализованную в некоторых теоретических моделях и одновременно реализованную в материале, где спины и орбитали почти равны и сильно связаны друг с другом», – сказал он.
Из предыдущего исследования, проведенного в 2012 году, Si, Paschen и его коллеги знали, что электроны в соединении могут взаимодействовать настолько сильно, что материал претерпит резкие изменения при критически низкой температуре. По обе стороны от этой «квантовой критической точки» электроны на ключевых орбиталях будут располагаться совершенно по-другому, причем сдвиг происходит исключительно из-за квантового взаимодействия между ними.
В более раннем исследовании использовалась хорошо известная теория Si и сотрудников, разработанная в 2001 году, которая предписывает, как спины этих локализованных электронов, которые являются частью атомов внутри сплава, сильно взаимодействуют со свободно текущими электронами проводимости в квантовой критической точке. Согласно этой «локальной квантовой критической» теории, когда материал охлаждается и приближается к критической точке, спины локализованных электронов и электронов проводимости начинают конкурировать за то, чтобы занять определенные спиновые состояния. Квантовая критическая точка – это переломный момент, когда эта конкуренция разрушает упорядоченное расположение локализованных электронов, и вместо этого они полностью запутываются с электронами проводимости.
Несмотря на то, что Си изучал квантовую критичность почти 20 лет, он был удивлен результатами последних экспериментов Пашена.
«Новые данные совершенно сбивали с толку всех нас», – сказал он. «Так было до тех пор, пока мы не поняли, что система содержит не только спины, но и орбитали в качестве активных степеней свободы."
Осознав это, команда Си, в том числе аспирантка Райс Анг Кай, построила теоретическую модель, которая содержит как спины, так и орбитали. Их подробный анализ модели выявил удивительную форму квантовой критичности, которая обеспечила четкое понимание экспериментов.
"Это был шок для меня, как с точки зрения теоретической модели, так и с точки зрения экспериментов", – сказал он. «Несмотря на то, что это суп из вещей – спины, орбитали, которые все сильно связаны друг с другом и с фоновыми электронами проводимости, – мы могли бы разрешить две квантовые критические точки в этой единой системе при настройке одного параметра, который является магнитное поле. И в каждой из квантовых критических точек только спин или орбиталь определяют квантовую критичность.
Другой – более или менее сторонний наблюдатель."
Si – это Гарри C. и Ольга К. Профессор Висс на факультете физики и астрономии Райса.
Соавторами исследования являются Кай и Валентина Мартелли, ранее работавшие в Венском университете, а теперь работающие в Университете Сан-Паулу в Бразилии. Дополнительные соавторы включают Чиа-Чуан Лю и Синь-Хуа Лай, оба из Райс; Эмилиан Ника, ранее работавший в семье Райс, а в настоящее время работающий в Университете Британской Колумбии; Ронг Ю, бывший сотрудник Райс, а в настоящее время учится в Китайском университете Ренминь; Матьё Топен, Андрей Прокофьев, Диана Гейгер, Джонатан Хэнель и Хулио Ларреа, все из TU Wien; Кевин Ингерсент из Университета Флориды; Роберт Кухлер из Института химической физики твердого тела Макса Планка в Дрездене, Германия; и Андре Стридом из Йоханнесбургского университета в Южной Африке.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (DMR-1920740, CNS-1338099, PHY-1607611, DMR-1508122), Фондом Роберта А. Welch Foundation (C-1411), Управление армейских исследований (ARO-W911NF-14-1-0525, ARO-W911NF-14-1-0496), Австрийский научный фонд (P29296-N27, DK W1243), European Research Совет (расширенный грант 227378), Фонд Карлоса Шагаса Филью по поддержке исследований штата Рио-де-Жанейро (201.755/2015), Национальный фонд естественных наук Китая (11674392), Министерство науки и технологий Китая (2016YFA0300504), Южноафриканский национальный исследовательский фонд (93549), Университет Йоханнесбурга и RCQM.
RCQM использует глобальное партнерство и сильные стороны более 20 исследовательских групп Rice для решения вопросов, связанных с квантовыми материалами.
RCQM поддерживается офисами проректора и вице-проректора Райс по исследованиям, Школой естественных наук Висс, Инженерной школой Брауна, Институтом Смолли-Керла, а также факультетами физики и астрономии, электротехники и компьютерной инженерии и материаловедения. и наноинжиниринг.