Как обнаружить квантовый объект, который нельзя выделить из вещества и рассмотреть как отдельную частицу? Физики из Университета Эмори в США предложили использовать для этого свет. Их теоретическая модель показывает, что необычные коллективные возбуждения электронов, называемые анионами, могут оставлять характерные следы в оптическом спектре материала. Если предсказание подтвердится экспериментально, исследователи получат новый инструмент для изучения состояний вещества, перспективных для квантовых вычислений.
В привычном трёхмерном мире элементарные частицы делятся на две большие группы: фермионы и бозоны. Электроны относятся к фермионам, а фотоны — к бозонам. Различие связано с тем, как изменяется квантовое состояние системы при перестановке двух одинаковых частиц. Однако в двумерных системах, где движение ограничено практически одной плоскостью, возможны более необычные закономерности.
Такие возбуждения называют анионами, от английского anyons. Их главное отличие заключается в особых правилах обмена положениями: квантовое состояние может приобретать фазу, нехарактерную для обычных фермионов и бозонов, а в некоторых случаях преобразовываться ещё сложнее. Анионы не являются новыми фундаментальными частицами наподобие электронов. Они возникают благодаря согласованному поведению множества электронов внутри специального квантового состояния вещества.
Некоторые анионы обладают дробным электрическим зарядом. Это не означает, что свободный электрон физически распадается на несколько самостоятельных частиц. Дробный заряд представляет собой свойство коллективного возбуждения, возникающего внутри электронной системы. Впервые подобные состояния получили убедительное физическое объяснение при изучении дробного квантового эффекта Холла в 1980-х годах.
Для возникновения этого эффекта двумерную электронную систему охлаждают до очень низких температур и помещают в сильное магнитное поле. Электроны начинают вести себя согласованно, образуя необычное квантовое состояние. Его возбуждения могут переносить дробные заряды и подчиняться анионной статистике. Однако создание и исследование таких систем требует сложного оборудования.
За последние годы появились материалы, позволяющие получать родственные состояния без сильного внешнего магнитного поля. Особый интерес представляют дробные изоляторы Черна — системы, в которых взаимодействия электронов и топологические свойства энергетических зон приводят к возникновению необычного коллективного состояния. Топология здесь означает устойчивые математические характеристики квантовой системы, которые не исчезают при небольших изменениях её параметров.
Именно такие материалы рассматриваются в исследовании Тяньхуна Лу и Луиса Сантоса, опубликованном в Physical Review Letters. Учёные хотели выяснить, можно ли обнаруживать отдельные анионные возбуждения через их взаимодействие со светом. Проблема заключается в том, что анионы не существуют как изолированные объекты вне соответствующей электронной среды. Поэтому обычные способы наблюдения частиц для них неприменимы.
Решением могут стать экситоны — ещё один вид квазичастиц. Экситон образуется, когда электрон в полупроводнике получает энергию и оставляет после себя дырку, то есть отсутствие электрона в ранее занятом состоянии. Электрон и положительно заряженная дырка могут удерживаться вместе благодаря электрическому притяжению. Получается электрически нейтральное связанное состояние, которое способно эффективно взаимодействовать со светом.
В атомарно тонких полупроводниках экситоны особенно удобны для оптических исследований. Поглощение света определённой частоты может создавать экситоны, а их энергетические состояния проявляются в спектрах материала. Поэтому экситон способен выполнять роль чувствительного посредника между светом и другими квантовыми возбуждениями. Именно это свойство физики предложили использовать для обнаружения анионов.
Согласно разработанной модели, экситон может взаимодействовать с анионом и образовывать связанное составное состояние. При этом изменяются допустимые энергии системы, а значит, и её оптический отклик. В спектре должны возникать особенности, по которым можно судить о присутствии анионного возбуждения. Исследователи называют такие признаки спектральными отпечатками.
Принцип напоминает спектральный анализ химических веществ. Разные атомы и молекулы поглощают свет на характерных частотах, благодаря чему их можно распознавать даже на огромном расстоянии. В предлагаемой системе свет взаимодействует не непосредственно с анионом, а с экситоном, энергетические свойства которого меняются в присутствии аниона. Таким образом, невидимое квантовое возбуждение оставляет косвенный, потенциально измеримый след.
Для проверки идеи авторы сначала разработали математическое описание взаимодействия экситона с дробным изолятором Черна. Затем они провели компьютерное моделирование и исследовали закономерности энергий связи и квантовых корреляций. Полученные результаты согласовались с предсказаниями модели и позволили выделить характерные спектральные особенности. Однако пока речь идёт исключительно о теоретическом результате.
Важность работы связана с перспективами топологических квантовых вычислений. Обычные кубиты — квантовые аналоги информационных битов — чувствительны к внешним возмущениям, которые могут разрушать их квантовую согласованность. Некоторые типы анионов потенциально позволяют кодировать информацию в коллективных топологических свойствах системы. Такая информация может быть менее уязвимой к определённым локальным воздействиям.
Особенно интересны неабелевы анионы, у которых последовательность обменов положениями может изменять квантовое состояние системы нетривиальным образом. Теоретически такие операции позволяют выполнять вычисления посредством особой перестановки траекторий квазичастиц, называемой плетением. Однако для реализации этой идеи необходимо научиться надёжно создавать, обнаруживать и контролировать соответствующие возбуждения.
Предложенный оптический метод может помочь решить одну из этих задач — обнаружение анионов. Если спектральные особенности окажутся достаточно отчётливыми, исследователи смогут использовать свет для изучения их присутствия и взаимодействий с окружающей электронной средой. Но обнаружение спектрального сигнала ещё не означает возможности перемещать анионы по заданным траекториям или выполнять с их помощью вычислительные операции.
Кроме того, не все анионы обладают свойствами, необходимыми для универсальных топологических квантовых вычислений. Дробный заряд и необычная статистика сами по себе не гарантируют пригодности квазичастицы для создания защищённого кубита. Поэтому между подтверждением новой методики измерения и появлением практически работающего квантового процессора остаётся значительная дистанция.
Следующим этапом должна стать экспериментальная проверка предсказаний на подходящих двумерных материалах. Учёным предстоит установить, насколько хорошо спектральные признаки можно отличить от других оптических эффектов, а также определить влияние температуры, неоднородностей материала и взаимодействий между возбуждениями. Только после этого можно будет оценить практическую чувствительность предложенного метода.
Главное достижение исследователей состоит в необычном соединении двух областей квантовой физики: оптики экситонов и топологических состояний электронного вещества. Свет, который обычно используют для изучения электронных переходов, может стать инструментом исследования коллективных возбуждений с экзотическими квантовыми свойствами. Пока физики не создали готовый датчик анионов, но предложили конкретный механизм, который можно проверить в лаборатории. Это ещё один шаг к пониманию того, как управлять квантовой информацией, скрытой в коллективном поведении электронов.
А затем «Добавить на главный экран».
