Физики ИТМО и Физтеха увидели вигнеровский кристалл в монослое диселенида вольфрама с помощью света

Свет стал инструментом, позволившим заглянуть в микрмир без сложных приборов и магнитных полей. В Москве подвели итоги работы, которая может изменить подход к созданию электроники будущего. Ученые из Квантового центра, ИТМО и Физтеха совершили важный шаг в изучении квантовых свойств вещества. Им удалось «увидеть» с помощью обычного света то, что раньше требовало сложнейшего оборудования. Эта работа велась в рамках большого государственного проекта по квантовым вычислениям, который с 2020 года курирует Госкорпорация «Росатом». Результаты настолько значимы, что их опубликовал авторитетный журнал Physical Review B. Об этом рассказывает издание Новости мира инноваций.

В центре внимания физиков оказался сверхтонкий материал — монослой диселенида вольфрама. Его толщина в сто тысяч раз меньше человеческого волоса. В таких условиях электроны начинают вести себя как единый организм. Это явление называется коллективным поведением. Именно оно лежит в основе самых загадочных физических эффектов: сверхпроводимости, необычного магнетизма и состояний материи, которые мы только учимся использовать.

Если сильно охладить такой материал (ниже 26 кельвинов, то есть примерно до минус 247 градусов по Цельсию) и понизить плотность электронов, они перестают хаотично двигаться. Из-за взаимного отталкивания частицы выстраиваются в идеальный порядок, напоминающий кристаллическую решетку. Это состояние ученые называют вигнеровским кристаллом. Раньше его присутствие пытались уловить с помощью электрических измерений или помещая образец в мощное магнитное поле.

Российская группа пошла другим путем. Специалисты ИТМО разработали теоретическую модель и протокол эксперимента, которые позволили связать появление этого электронного порядка с изменением цвета отраженного света. Иными словами, глядя на то, как материал «переливается» под лучами, исследователи научились определять период кристаллической решетки электронов. Это стало прорывом, потому что метод оказался почти бесконтактным.

Теперь ученым не нужно встраивать в образец множество электрических контактов, которые искажают результат, или создавать сверхсильные поля. Наблюдение становится чистым и более удобным.

Для чего это нужно на практике? Такие двумерные структуры — отличные кандидаты на роль основы для твердотельных квантовых симуляторов. Это специальные устройства, которые позволяют моделировать поведение сложных материалов. Дело в том, что классическим суперкомпьютерам такие задачи часто не по плечу, потому что им не хватает мощности, чтобы просчитать взаимодействие гигантского числа частиц одновременно.

Один из авторов работы, руководитель научной группы Квантового центра и Физтеха Александр Чернов, так прокомментировал событие: «Мы впервые показали, что такое сложное состояние электронов в монослое диселенида вольфрама можно увидеть напрямую с помощью света. В эксперименте электроны в атомарно тонком полупроводнике выстраиваются в регулярную структуру, а ее появление меняет оптический отклик материала, что дает научному сообществу новый инструмент для изучения квантовых состояний, в которых большое число частиц ведет себя как единое целое».

Полученные данные открывают путь к созданию новых материалов с заданными свойствами и более эффективной квантовой электронике, а также приближают нас к пониманию того, как устроена материя на самом глубинном уровне.