Квантовыми называют материалы с электронными свойствами, подчиняющимися принципам квантовой механики, таким как корреляция и запутанность, которые могут проявлять необычное поведение при определённых условиях, например, способность передавать электричество без сопротивления, что называется сверхпроводимостью. Однако для достижения наилучших характеристик этих материалов их необходимо правильно настроить, подобно тому, как гоночные автомобили нуждаются в дополнительной настройке некоторых систем. Учёные давно уже обнаружили, что контролируемый нагрев и охлаждение некоторых составов позволяет им, как изолировать, так и проводить электричество, в зависимости от изменения температуры. Новый метод изменения электронных состояний «по требованию» способен сделать электронные компоненты в тысячу раз быстрее и эффективнее.
Изобретённый недавно материал, который пока назвали аббревиатурой 1T-TaS₂, потенциально может заменить традиционные кремниевые компоненты в электронике, включая ноутбуки и смартфоны. Исследовательская группа, работавшая над этим проектом, предположила, что квантовые материалы могут выполнять те же задачи быстрее, занимая при этом экспоненциально меньше места.
Если бы материалы, подобные 1T-TaS₂, были приняты для использования в электронике, объём информации, который они могли бы обработать за секунду, увеличился бы в 1000 раз. Сейчас процессоры работают на гигагерцовой частоте. Скорость изменений, которую может обеспечить это открытие, позволит перейти на терагерцы.
Метод, который применялся разработчиками, называется термическим гашением. Он заключается в воздействии света на материал, который воспроизводит уникальные квантовые свойства при активации, что приводит к повышению его температуры. В случае 1T-TaS₂ активированным свойством является металлическая проводимость.
Это стабильное «скрытое металлическое состояние», как его называют исследователи в исследовании, ранее достигалось, но только при криогенно-низких температурах и менее чем на секунду. Новое исследование показывает, что это свойство может быть достигнуто путём температурных колебаний при более доступных температурах — примерно минус 73 градуса по Цельсию. Такая температура более чем на 250 градусов выше, чем удавалось добиваться в предыдущих экспериментах с квантовыми материалами. Более того, материал 1T-TaS₂ может сохранять свою проводимость в течение месяцев, что ранее никогда не удавалось.
При прекращении воздействия света температура материала понижается, и 1T-TaS₂ возвращается в исходное изолирующее состояние. Результат сравним с транзистором — полупроводниковым прибором, используемым в большинстве современных электронных устройств и управляющим потоком электричества. Развитие транзисторов, согласно закону Мура, часто связывают с уменьшением размеров компьютеров: от машин, занимавших целые комнаты, до машин, помещающихся в кармане.
Сверхбыстрое взаимодействие света и вещества стало механизмом управления макроскопическими свойствами квантовых материалов. Однако технологические применения фотоиндуцированных фаз ограничены их сверхкоротким сроком службы и низкими температурами, необходимыми для их стабилизации. Одной из таких фаз является волновое состояние скрытой плотности металлического заряда в 1T-TaS2, происхождение и стабильность которого выше криогенных температур. Эта фаза может быть стабилизирована при тепловом равновесии путём доступа к режиму волнового порядка со смешанной плотностью заряда посредством термического гашения.
Используя рентгеновское взаимное пространственное картирование с высоким динамическим диапазоном и сканирующую туннельную спектроскопию, было выявлено сосуществование соразмерных волновых доменов плотности заряда и скрытых металлических волновых доменов плотности заряда до минус 63 градусов по шкале Цельсия. Результаты показывают, что каждый параметр порядка нарушает зеркальную симметрию в базисной плоскости с различными хиральными ориентациями и индуцирует утроение внеплоскостной элементарной ячейки в скрытой фазе. Несмотря на металлические границы и конечную плотность состояний, объёмное сопротивление остаётся изолирующим из-за беспорядочной укладки волн плотности заряда. То есть, скрытое состояние является термостабильной фазой, и представляют альтернативный механизм изменения свойств металла в тонких чешуйках 1T-TaS2 и аналогичных материалах с конкурирующими фазами.
Понимание того, как управлять квантовыми материалами, может аналогичным образом преобразовать электронику, позволив создавать сверхскоростные центры обработки данных. Поиск способа переключения между состояниями проводимости при более высоких температурах — это переломный момент, который в конечном итоге позволит заменить кремниевые технологии. Традиционные кремниевые полупроводники содержат множество плотно упакованных логических компонентов, что имеет физические ограничения.
Поскольку эта новая технология объединяет в одном объекте как проводящие, так и изолирующие свойства, квантовые материалы могут выполнять те же задачи, что и кремниевые компоненты, занимая при этом гораздо меньше места. Устраняется одна из инженерных проблем, объединяя всё в одном материале. Тепловое гашение также может увеличить скорость вычислений, поскольку оно использует свет для управления проводимостью. Любой человек, который когда-либо пользовался компьютером, сталкивался с ситуацией, когда ему хотелось бы, чтобы информация на его устройство загружалось быстрее. Нет ничего быстрее света, и свет используется для управления свойствами материалов, по сути, с максимально возможной скоростью, допускаемой физикой.
Это исследование открывает новое будущее для электроники, в котором инженеры смогут мгновенно контролировать свойства материалов. Люди находятся на этапе, когда для достижения поразительных улучшений в хранении информации или скорости работы человечеству нужна новая парадигма — вот в этом и заключается суть этой научно-практической работы.
