«Трехцветный рапан»: физики пропустили свет через плоскость самого тонкого в мире кристалла-полупроводника

Международная группа исследователей, куда вошли физики СПбГУ, изучила, как в плоскости самого тонкого в мире полупроводникового кристалла распространяются фотоны. Распределение поляризации света в пространстве оказалось похоже на трехцветного рапана. Результаты работы физиков открывают путь к созданию одноатомных оптических транзисторов — компонентов для квантовых компьютеров, потенциально способных проводить вычисления со скоростью света.

В каждой современной микросхеме, спрятанной внутри ноутбука или смартфона, можно увидеть транзисторы — небольшие полупроводниковые приборы, управляющие протеканием электрического тока, то есть потоком электронов. Если заменить электроны на фотоны (элементарные частицы света), то перед учеными откроется перспектива создания новых вычислительных систем, способных обрабатывать огромные потоки информации со скоростью, близкой к скорости света. Именно фотоны сегодня считаются лучшими претендентами на роль «передатчиков» информации в квантовых компьютерах — все еще гипотетических вычислительных машинах, живущих по законам квантового мира и способных решать некоторые задачи эффективнее самых мощных суперкомпьютеров.

Научная статья опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Хотя никаких физических ограничений для создания квантовых компьютеров нет, все же ученые до сих пор не выбрали, какая же материальная форма станет самой удобной и эффективной для реализации идеи квантового компьютера. Например, как будут работать транзисторы в такой вычислительной машине? Приблизиться к решению этой проблемы смогли ученые из Вюрцбургского университета (Германия), Саутгемптонского университета (Великобритания), Университета Гренобль Альпы (Франция), Университета штата Аризона (США), Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН и Санкт-Петербургского государственного университета.

Физики изучили распространение света в двумерном кристаллическом слое диселенида молибдена (MoSe2) толщиной всего в один атом — это самый тонкий в мире полупроводниковый кристалл. Исследователи выяснили, что поляризация света, распространяющегося в сверхтонком кристаллическом слое, зависит от направления распространения света. Это явление обусловлено эффектами спин-орбитального взаимодействия в кристалле. Кстати, график, показывающий пространственное распределение поляризации света, отметили ученые, получился довольно необычным — он напоминает разноцветного морского рапана.

График, показывающий пространственное распределение поляризации света. Nature Nanotechnology, 2019
График, показывающий пространственное распределение поляризации света. Nature Nanotechnology, 2019

Сверхтонкие кристаллы диселенида молибдена для экспериментов синтезировали в лаборатории профессора Свена Хефлинга в Вюрцбургском университете — одной из лучших лабораторий роста кристаллов в Европе. Измерения проводились как в Вюрцбурге, так и в Санкт-Петербурге — под руководством профессора СПбГУ Алексея Кавокина, а большой вклад в развитие теоретической базы внес сотрудник лаборатории оптики спина СПбГУ, ведущий научный сотрудник Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе, член-корреспондент РАН Михаил Глазов.

Алексей Витальевич Кавокин — руководитель лаборатории оптики спина СПбГУ, профессор Университета Саутгемптона (Великобритания), заведующий кафедрой нанофизики и фотоники этого университета. В 2011 году Кавокин выиграл мегагрант Правительства РФ, в рамках которого была создана лаборатория оптики спина имени И. Н. Уральцева, а в 2018 году возглавил Международный центр поляритоники в Университете Вестлейк в Китае.

«Я предвижу, что уже в недалеком будущем двумерные моноатомные кристаллы будут применяться для передачи информации в квантовых устройствах, — рассказал руководитель лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ профессор Алексей Кавокин. — То, что классические компьютеры и суперкомпьютеры делают очень долго, квантовое вычислительное устройство будет делать очень быстро. В этом и заключается огромная опасность квантовых технологий, сравнимая с опасностью атомной бомбы: с их помощью можно будет, к примеру, очень быстро взламывать банковские системы защиты. Вот почему сегодня идет интенсивная работа в том числе над созданием средств защиты квантовых устройств — квантовой криптографии. И наша работа вносит вклад в копилку полупроводниковых квантовых технологий».

К тому же, как отметил ученый, исследование стало важным шагом в изучении светоиндуцированной (то есть появляющейся при наличии света) сверхпроводимости — явлении, когда материалы, пропускающие электрический ток, обладают нулевым сопротивлением. Сегодня этого состояния невозможно достичь при температуре выше минус 70 ˚C, но, если найти подходящий материал, такое открытие позволит без потерь передавать электричество в любую точку Земли и создавать электромоторы нового поколения. Напомним, что в марте 2018 года научная группа Алексея Кавокина предсказала, что решить проблему могут помочь структуры, содержащие сверхпроводящие металлы, например алюминий. Сегодня ученые СПбГУ ищут способ получить экспериментальное подтверждение своей теории.

Исследование поддержано грантами Европейского исследовательского совета (проект unLiMIt-2D), Университета Вестлейк (проект № 041020100118), Санкт-Петербургского государственного университета (ID 40847559), президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (MK-2839.2019.2), Российского фонда фундаментальных исследований (№ 17-52-10006 и № 17-02-00383), проекта Европейского союза TOPOPOLIS имени Марии Кюри, Научного национального фонда (DMR-1838443 и DMR-1552220), Немецкого научно-исследовательского общества, а также правительством Баварии.