'Вопросы к интервью
11 февраля 2020
Z Интервью Все выпуски

Пифагоровы штаны: Как ученые открывают новые материалы и зачем нужны искусственно синтезированные монокристаллы?


Время выхода в эфир: 11 февраля 2020, 12:05

А. Петровская Добрый день. У микрофона Александра Петровская. Это программа «Пифагоровы штаны». В гостях – Илья Климовских, ассистент лаборатории электронной и спиновой структуры наносистем СПбГУ, кандидат физико-математических наук. Илья, здравствуйте.

И. Климовских Добрый день.

А. Петровская Мы сегодня будем с вами говорить о новом классе материалов. Как я понимаю, до этого все материалы, которые были открыты, существовали, использовались не обладали теми свойствами, которыми обладают те группы монокристаллов, о которых заговорили вы.

И. Климовских Да, именно так. Нам удалось открыть новый класс веществ. До этого были открыты отдельно как топологические изоляторы, так и антиферромагнетики. А нам удалось совместить. То есть, мы открыли антиферромагнитные топологические изоляторы. В этом совмещении как раз и состоит уникальность этой работы. Нам удалось сначала теоретически показать, а потом экспериментально вырастить этот кристалл и обнаружить его свойства.

А. Петровская Вы буквально предвосхитили мой следующий вопрос. То есть, это не в природе открыли, шли-шли и нашли: «Ой, какой необычный монокристалл!» А это созданный вначале на теоретическом уровне, а потом практическом, новый материал. Как вы растите эти монокристаллы?

И. Климовских Конкретно мы в нашей лаборатории сейчас их не растим, у нас есть планы по закупке ростового оборудования. Но эти кристаллы были выращены в Азербайджане и в Дрездене, в Германии, двумя отдельными группами как бы по заказу теоретиков. То есть, таких кристаллов в природе не существует – по крайней мере, пока не обнаружено.

Исторически сложилось так, что теоретики придумали кристалл, в котором могут реализоваться такие свойства, и потом они дали задание ростовым группам, которые занимаются ростом кристаллов, попробовать вырастить такой кристалл. И вот спустя несколько лет – это была тоже довольно сложная работа – им удалось получить первые монокристаллы. Они были маленькие, размером меньше миллиметра. А затем уже нам в лаборатории университета удалось их исследовать и получить уникальные свойства.

А. Петровская Ага. То есть, не было такого момента… Как это происходит, чтобы было понятно. Не вначале появляется заявка на материал с определёнными свойствами, который мог бы позволить квантовому компьютеру работать быстрее, дольше и так далее, и вы ищите, как создать этот новый материал с учётом запроса на определённые свойства; а вначале появляется новый материал, а потом уже происходит его исследование и открытие новых свойств. Что здесь впереди?

И. Климовских Вопрос, наверное, сложный – как это конкретно происходит. Всё-таки это в голове у учёного, в данном случае – моего руководителя, профессора Евгения Владимировича Чулкова. На основе большого опыта работы с этими материалами как-то у него в голове сложилось, что вот этот материал может иметь уникальные свойства и к тому же потом примениться в будущем в квантовых компьютерах или ещё где-то. Это точно не происходит по заказу индустрии или как-то ещё.

А. Петровская Давайте тогда чуть подробнее расскажем о том, что это за монокристалл, какими свойствами он обладает?

И. Климовских Мы занимаемся разделом физики, который называется «физика твёрдого тела». Твёрдое тело – это как раз монокристаллы, то есть, тела, у которых есть определённая кристаллическая решётка, атомы расположены упорядоченно. Среди твёрдых тел есть магнитные: например, мы хорошо знаем железо – магнитики на холодильнике, мы с каждый день сталкиваемся с магнитным полем. Это ферромагнетики. У них магнитные моменты, или спины, сонаправлены, выравнены. Именно из-за этого материалы становятся магнитными, только поэтому магнитик липнет к холодильнику – потому что у него есть уникальное квантовое механическое понятие спина. То есть, без квантовой механики не было бы магнитов. На самом деле, не было бы ничего. Квантовая механика, оказывается, ответственна за всё.

Эти вещества, ферромагнетики – самые распространённые среди магнитных материалов, а остальные вещества – либо диамагнетики, либо парамагнетики – не магнитные, у них нет магнитного момента. Но есть вещества, которые магнитные, но у них тоже нет внешнего магнитного поля – это антиферромагнетики. У них эти самые магнитные моменты, или спины, направлены противоположно друг другу. Суммарное магнитное поле оказывается равно 0, потому что они вычитают друг друга, но в каждой конкретной точке магнитный момент существует. То есть, они сохраняют магнитный момент, но не распространяют его, не влияют на окружающую среду. К холодильнику такой материал не будет липнуть.

А. Петровская Давайте теперь к применению. Этот материал нужен в том числе для того, чтобы использоваться в топологических квантовых компьютерах (сейчас пару слов нам объясните, что это такое) и детекторе тёмной материи. Здесь что важно, мы с вами до начала программы поговорили: кажется, что работает компьютер быстро или нет, зависит от операционной системы, нас убеждают обновить Windows, и тогда он будет работать быстрее.

На самом деле не только в операционных системах дело, а в том числе и в тех материалах, которые используются и являются проводниками для того, чтобы все эти импульсы по ним проходили. Собственно, за счёт использования новых материалов может быть увеличено время работы, память, продолжительность, скорость работы и так далее. Как конкретно на работу топологического квантового компьютера могут повлиять те монокристаллы, которые были вами открыты?

И. Климовских Здесь, наверное, можно начать не только с квантовых компьютеров, а с компьютеров обычных. Сейчас свойства электроники в основном основаны на заряде электронов. Грубо говоря, ток течёт – это 1, ток не течёт – это 0. Так устроены транзисторы. И точно так же они работают с памятью. Память, по крайней мере в жёстких дисках, уже записывается не в заряд электрона, а в магнитный момент. Если магнитный момент направлен в одну сторону – это 1, в другую – это 0.

В текущих наших компьютерах используются ферромагнетики. А если мы будем использовать антиферромагнетики, то этот процесс записи может происходить гораздо быстрее, потому что резонансная частота у антиферромагнетиков в 1000 раз больше. К тому же, как мы с вами говорили, они не индуцируют внешнее поле, не влияют на другие ячейки памяти, а это позволит сделать их как можно меньше, не будет ограничения по размеру.

А. Петровская Вы сказали, что существует квантовый компьютер и топологический. Что выходит, если объединить одно с другим?

И. Климовских На данный момент, насколько мне известно, существующие квантовые компьютеры работают на сверхпроводящих так называемых джозефсоновских переходах, и им приходится работать при очень низких температурах. То есть, это только гелиевое охлаждение. Если его выключить, то квантовый компьютер и его состояние разрушатся.

А. Петровская Потому что очень большая энергия выходит в процессе его работы, правильно я понимаю?

И. Климовских Не только энергия, а просто нужен сверхпроводящий переход. Материал должен перейти в сверхпроводящее состояние. И всё равно даже при низкой температуре текущие квантовые компьютеры подвержены декогеренции – это значит, что вот эта уникальная суперпозиция, которой описывается квантовый компьютер, просто разрушается со временем. От этого никак не избавиться. Избавиться от этого можно только путём создания топологических квантовых компьютеров, которые будут защищены от декогеренции.

Квантовый компьютер работает на принципе суперпозиции, поэтому он быстрее решает задачи, где нужен какой-то перебор вариантов, например. Основное применение, конечно, будет в криптографии. Любые генерации ключей, связанные с теми же банковскими картами, СМС, скорее всего, даже не будут иметь смысла, если будут квантовые компьютеры повсеместно использоваться, потому что они будут легко взламывать любой ключ, любую криптографию, потому что они одновременно перебирают все варианты.

А. Петровская Давайте ещё пару слов про детектор тёмной материи. Что это такое, как это работает, и как здесь открытые вами антиферромагнетики будут помогать?

И. Климовских Это абсолютно уникальная ситуация. Когда мы работали над нашим материалом, мы даже не подозревали, что такое возможно. Потом, уже после того, как наша статья вышла, какие-то теоретики написали, что на основе нашего материала действительно можно сделать детектор тёмной материи. И мы тоже задались вопросом, как это вообще и почему так, я примерно выяснил. На данный момент тёмная материя не обнаружена, но вроде как теоретически показано, что она должна существовать. Её должно быть много.

А. Петровская Очень много.

И. Климовских И одним из кандидатов на роль тёмной материи являются так называемые аксионы. Где-то я читал, что можно их рассматривать как странные фотоны. Обычно у фотонов, частиц света, нет массы. Аксионы ведут себя так же, как и фотоны, только у них есть небольшая масса. Но пока ни тёмная материя, ни аксионы не были обнаружены экспериментально.

Вдруг выяснилось, что в нашем материале возможно существование квазичастицы. То есть, это не совсем частица в понимании элементарной физики. Электроны в нашем материале ведут себя так вместе, коллективно, как будто они были этим аксионом. Каждый по себе электрон, если его рассмотреть, ведёт себя как обычный электрон. Прикладываем электрическое поле – он течёт в направлении градиента поля. Но если рассмотреть их коллективное движение, то они ведут себя как аксион. Аксиона как такового не существует, но существует квазичастица аксион. И вот – предложение сделать детектор, потому что такой квази-аксион может поймать настоящий, который уже, возможно, является тёмной материей.

А. Петровская Но это пока только теоретическое размышление.

И. Климовских Да.

А. Петровская Подобного рода квазичастицы никаким образом не противоречат фундаментальным законам физики, но это то, с чем мы до этого не встречались.

И. Климовских Да, но в последнее время именно такие вещи в физике твёрдого тела очень возбуждают всех исследователей. Например, тот же самый графен, за который была присуждена Нобелевская премия недавно.

А. Петровская Значит ли это, что мы ещё многого не знаем?

И. Климовских Очень многого. И самое интересное, что мы даже не знаем, в какую сторону это всё продвинется. Потому что люди строят большие коллайдеры, ищут элементарные частицы – а может быть, нужно искать квазичастицы в материалах, которые нас окружают.

А. Петровская Спасибо. На этом мы сегодня заканчиваем. Илья Климовских, ассистент лаборатории электронной и спиновой структуры наносистем СПбГУ, кандидат физико-математических наук сегодня был у нас в гостях. Илья, спасибо.

И. Климовских Спасибо большое. До свидания.



Загрузка комментариев...

Самое обсуждаемое

Популярное за неделю

Сегодня в эфире