Наноплёнка с амбициями: еще один ключ к суперкомпьютерам, которые не ошибаются

Группа физиков из Ульсанского научно-технического института (UNIST) впервые применила свет для обнаружения особого квантового состояния материи – спиновой жидкости Китаева . Это достижение открывает новые возможности для создания устойчивых к помехам компьютеров, способных работать без ошибок.

Спиновая жидкость Китаева представляет собой уникальное состояние вещества, в котором магнитные моменты элементарных частиц – спины – не формируют упорядоченную структуру даже при экстремально низких температурах. Подобно молекулам в жидкости, они сохраняют подвижность и хаотичность, что делает такие материалы идеальными кандидатами для квантовых вычислительных систем нового поколения.

Для экспериментов специалисты синтезировали сверхтонкие плёнки из оксидов кобальта. Толщина образцов составила всего 20 нанометров – это сопоставимо с размером вируса и в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса. Выбор пал именно на оксиды кобальта благодаря их уникальным магнитным свойствам и способности сохранять квантовые характеристики при формировании тончайших слоёв.

Традиционно для исследования магнитных свойств материалов применяется нейтронный анализ. Однако у этого метода есть одно большое ограничение: он эффективен только при работе с относительно крупными образцами. Когда же речь идёт о наноразмерных плёнках, необходимых для создания квантовых процессоров, сигнал становится слишком слабым для достоверного анализа.

Новый же подход основан на изучении особых квазичастиц – экситонов, возникающих при взаимодействии света с веществом. Когда фотоны определённой энергии попадают на материал, они "выбивают" электроны из их обычных позиций, создавая пары электрон-дырка. Такие пары чутко реагируют на малейшие изменения магнитного состояния материала, что позволяет отслеживать тончайшие квантовые эффекты.

Наблюдая за поведением экситонов, физики зафиксировали характерные колебания спинов, которые сохранялись даже при температурах выше точки Нееля (16 кельвинов или -257,15 градусов Цельсия). Это критически важное наблюдение: точка Нееля – температурный порог, при котором в обычных антиферромагнитных материалах магнитные моменты выстраиваются в упорядоченную структуру. Сохранение колебаний выше этой температуры однозначно указывает на квантовую природу наблюдаемого явления.

Теоретические расчёты показали, что в образцах возникают мощные китаевские взаимодействия. В этом случае спины частиц связываются друг с другом особым образом: каждый спин взаимодействует с соседями так, что любое внешнее воздействие на один из них компенсируется общим поведением системы. Возникает своеобразная "подушка безопасности" на квантовом уровне: информация распределяется по всей сети, а не хранится в отдельных частицах.

В отличие от обычных квантовых спиновых жидкостей, состояние Китаева обладает особой геометрической симметрией. Спины формируют сложную сеть взаимосвязей, образуя топологическую структуру – своего рода ткань, где каждый узор важен не сам по себе, а как часть целого. Благодаря этому информация оказывается защищённой на фундаментальном уровне: локальные помехи не могут повредить данные, записанные в общей структуре системы. Такой принцип делает топологические квантовые компьютеры практически неуязвимыми для ошибок, возникающих из-за внешних воздействий.

Открытие существования спиновой жидкости Китаева в тонких плёнках оксидов кобальта имеет огромное практическое значение. Эти материалы относительно просты в производстве и могут интегрироваться в существующую микроэлектронику. Более того, разработанный метод световой диагностики упрощает поиск и характеризацию новых материалов для вычислений будущего.