Исследователи UIUC переосмысливают ограничения размеров в квантовых технологиях с помощью миниатюрных квадрупольных топологических изоляторов

26 мая 2023 г.

26 мая 2023 г. — В 2018 году исследователи из Иллинойса были одними из первых, кто экспериментально продемонстрировал новую фазу материи, называемую квадрупольным топологическим изолятором — уникальный вид материала, который может протянуть руку помощи в поиске новых квантовых технологий. Теперь, спустя несколько лет после первоначального открытия, они и их коллеги из Германии успешно сократили размеры технологии до ширины человеческого волоса, не потеряв при этом ее уникальных свойств.

Гаурав Бахл, профессор механики и инженерии Университета Иллинойса, участвовал как в первоначальном открытии, так и в недавних работах. Эксперименты, показавшие значительное улучшение, были проведены Техническим университетом Кайзерслаутерна в Германии под руководством Георга фон Фреймана, профессора экспериментальной физики. Работа опубликована недавно в журнале Nature Communications.

Топологические изоляторы — это уникальные материалы, которые обладают защищенными проводящими состояниями по своим границам, несмотря на то, что они изолируют внутри. Это особое свойство позволяет их состояниям быть «надежными» — их легче контролировать и труднее нарушить, — что является ценной характеристикой для многих квантовых технологий. Квадрупольные топологические изоляторы (QTI) еще более уникальны, поскольку возбуждения в материале могут образовывать нульмерные точечные состояния. Это расширяет диапазон потенциальных применений, доступных топологическим изоляторам.

«Когда вы или я рисуем устройство на листе бумаги, нам обычно нужно уметь рисовать линии и точки», — сказал Бахл. «QTI дают нам точки, которые нам всегда были нужны для создания по-настоящему надежных устройств. В нашей первоначальной демонстрации QTI использовались печатные платы, соединенные в сложной конфигурации, и результирующие состояния точек состояли из микроволновых резонансов. Хотя это демонстрировало физическую концепцию, на самом деле это не имело большого практического применения. Текущая работа является огромным шагом к наноразмерным QTI для фотонов, которые представляют собой отдельные частицы света, которые часто используются в качестве типичных квантовых носителей информации».

Исследователи завершили свою новую демонстрацию, создав фотонный «синтетический материал» — модель материала с «атомами», соединенными «связями». Атомы представлены отдельными фотонными волноводами, трубками, переносящими свет, чьи электромагнитные свойства напоминают электронные состояния в атомах; связи представлены перекрытием электромагнитных полей этих волноводов, подобно тому, как электроны для связей взаимодействуют в материале. Важным для этой работы является то, что исследователи также разработали форму этих волноводов, чтобы их электромагнитные поля имитировали хорошо известные электронные орбитали.

«Прелесть связанных волноводов как синтетического материала в том, что вы можете буквально увидеть эволюцию волновой функции», — сказал фон Фрейманн. «Придавая волноводам форму с нанометровой точностью, вы можете обратиться к орбиталям, которые позволят вам наблюдать QTI».

Этот метод с фотонными волноводами раньше использовался для изготовления многих топологических изоляторов, но никогда - QTI. А орбитали «атомов», оказывается, и являются секретом создания такого маленького QTI. Атомные орбитали часто имеют форму, которая приводит к наблюдаемым эффектам в реальном мире; например, форма орбиталей, образующих молекулы воды, отвечает за шестикратную симметрию снежинок.

Новое устройство QTI слишком мало, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, и это самая маленькая из известных версий на сегодняшний день. Примечательно, что это достижение было достигнуто не за счет сокращения компонентов исходного устройства, что было бы невозможно, а вместо этого полностью переосмыслили физику, чтобы использовать симметрии и антисимметрии, присущие орбиталям. Делая технологию более компактной, а также распространяя ее на фотонные волноводы, расширяется диапазон потенциальных применений квантовых технологий для QTI.

«Это была не проблема масштабирования, а проблема дизайна», — сказал Бахл. «Не было возможности уменьшить наши первоначальные структуры, чтобы получить возможность производить что-то настолько компактное. Мы надеемся, что другие исследователи также вдохновятся подходом, который мы использовали для решения некоторых из их проблем миниатюризации. Орбитали — это здорово!»