Кандидат в унобтаний: при получении ридберговских поляритонов драгоценные камни оказались лучше искусственных кристаллов

Используя кристаллы закиси меди, ученые получили ридберговские поляритоны рекордных параметров. Эти квазичастицы могут стать основой квантовых вычислителей, однако кристаллы требуемого качества оказалось возможным отыскать только в природе.

На первый взгляд оксид меди (I) Cu2O, или закись меди, довольно обычное вещество, особенно хорошо знакомое тем, кто имеет дело с электричеством. Он образуется при окислении меди в условиях недостатка кислорода. Эта матовая рыжеватая пленка на проводе, вместе с запахом горелой проводки — верный признак того, что провод перегрелся и потерял изоляцию, и в электросхеме что-то не так.

Однако если вырастить из этого соединения монокристалл, лягушка превращается в принцессу. Закись меди является полупроводником, который можно использовать для создания солнечных батарей и электронных компонентов. Но самое интересное — оптические свойства закиси меди, благодаря которым ее монокристаллы способны порадовать и ювелиров, и физиков. Свет определенных длин волн активно взаимодействует с атомами меди и кристаллической решеткой Cu2O, распространяясь по ней, что приводит к необычным и полезным эффектам.

Физики из Сент-Эндрюсского университета под руководством Хамида Охади (Hamid Ohadi), в сотрудничестве с учеными из Гарвардского университета, Университета Маккуори и Орхусского университета сумели получить в монокристалле закиси меди ридберговские поляритоны с рекордными параметрами. Чтобы объяснить суть их достижения и встреченные ими сложности, сначала расскажем о том, что такое квазичастицы и какое место среди них занимают ридберговские поляритоны.

Частицы и квазичастицы

«Классические» элементарные частицы являются фундаментальными блоками, из которых построена материя. Они могут быть действительно элементарными, как электроны и фотоны, или составными, как протоны и нейтроны, но они могут существовать в вакууме отдельно от всего. В отличие от них, квазичастицы образуются в среде, отличной от вакуума, например в плазме или кристаллической решетке, и существуют «на фоне» этой среды.

Между частицами и квазичастицами нельзя провести однозначную границу. Электрон в полупроводнике можно рассматривать и как одно, и как другое, это просто разные «грани» одной и той же сущности. Квазичастицей называют тот носитель заряда, который движется в кристаллической решетке, поскольку при этом его свойства отличаются от вакуумных и меняются при переходе из одного кристалла в другой. Эффективная масса электрона в кристаллах может в десятки раз отличаться от истинной. Но если извлечь электрон из кристалла с помощью фотоэффекта и поместить в вакуум, он перестанет быть квазичастицей и останется обычным электроном.

Откуда берутся другие квазичастицы, и что они собой представляют? Здесь необходим небольшой экскурс в квантовую механику. Одно из ее главных свойств — дискретность физических величин, которая становится заметной в микромире и доминирующей на масштабах атомов, молекул и химических связей, — проявляется благодаря волновым свойствам частиц и какому-либо ограничению, наложенному на функцию. Вокруг атомного ядра может уместиться только целое число периодов волновой функции электрона. Это выражается с помощью главного квантового числа, n.

Различающиеся главные квантовые числа соответствуют различным средним расстояниям электрона от ядра и, соответственно, различающимся энергетическим уровням: энергия связи электрона с ядром, обратно пропорциональная этому расстоянию, может принимать только строго определенные значения. Переход между ними сопровождается излучением или поглощением кванта света, фотона, которое, в свою очередь, можно представить как скачкообразное изменение амплитуды колебания электромагнитной волны.

Этот подход универсален, и он значительно упрощает описание и исследование различных систем и явлений. Если определенная величина (например, энергия колебаний стоячей волны в оптическом резонаторе) может изменяться только скачком, то очень часто ее изменение можно отображать рождением или исчезновением соответствующей (квази)частицы.

В твердых телах подобным образом можно описать многие явления. Физика твердого тела очень разнообразна: в ней присутствуют и взаимодействия ионов с носителями заряда (электронами или их отсутствием), разнообразные колебания среды, образуемой носителями заряда, колебания самой кристаллической решетки, взаимодействие с квантами электромагнитного излучения и многое другое.

Квазичастицы-колебания: фононы:

В твердых телах квантовую природу проявляет даже звук, который в привычном мире однозначно ассоциируется с непрерывными волнами. Это происходит благодаря соотношениям между периодом кристаллической решетки и длиной волны звуковых колебаний, которые накладывают ограничения на распространение механических колебаний. Квант колебаний кристаллической решетки называется фононом.

С помощью фононов можно описывать не только звуковые, но и тепловые колебания кристаллической решетки. Нагрев твердого тела приводит к возрастанию количества фононов, распространяющихся в нем, и это описание позволяет точно воспроизвести некоторые тепловые свойства твердых тел.

Плазмоны:

Электроны проводимости в металле представляют собой отдельную сильно взаимодействующую среду. Поскольку их концентрация очень высока, каждый электрон «чувствует» множество соседей. Благодаря этому в их среде могут распространяться волны, которые тоже подвержены квантовым явлениям. Квант колебаний электронной «жидкости», а также других сред с выраженным электростатическим взаимодействием между частицами, называется плазмоном.

У плазменных колебаний есть предельная частота, растущая с концентрацией частиц. Фотоны с частотой, превышающей плазмонную частоту, могут свободно распространяться в среде, поскольку электроны «не поспевают» за частотой осцилляции электромагнитного поля фотона. Именно поэтому радиоволны низкой частоты отражаются от ионосферы, а металлы имеют блестящую поверхность. Концентрация электронов в них достаточна для отражения фотонов видимого света.

Экситоны: атомоподобные квазичастицы:

Как правило фотон, поглощенный полупроводником, «отцепляет» электрон от атома и отправляет его в свободное плавание по кристаллу полупроводника. Если энергия фотона чуть меньше энергии связи иона с электроном, может пойти процесс, аналогичный образованию возбужденных атомов. При этом электрон отдаляется от узла кристаллической решетки, но сохраняет слабую связь с ним. Эта комбинация узла кристаллической решетки и слабо связанного с ним электрона называется экситоном. Как и в случае возбужденных атомов, чем больше главное квантовое число электрона, тем больше расстояние электрона от исходного атома.

Ридберговские атомы и экситоны:

В основном состоянии размеры атома невелики, а энергия связи внешних электронов высокая. Обычно эти значения составляют десятые доли нанометра и единицы электронвольт. Но если придать электрону энергию, чуть меньшую, чем энергия его связи, его можно «закинуть» на очень высокую «орбиту» и при этом оставить связанным с атомом. Такое состояние называется ридберговским атомом. Их размеры, то есть среднее расстояние электрона от ядра, растут пропорционально квадрату главного квантового числа, а энергия связи, наоборот, обратно пропорциональна его квадрату.

В отсутствие внешних возмущений ридберговские атомы очень устойчивы. В космосе они могут достигать десятых долей миллиметра в размере и существовать секунды — в сотни миллионов раз дольше времени жизни обычных возбужденных состояний атомов. Однако из-за низкой энергии связи они очень восприимчивы к внешним возмущениям, и для их лабораторного изучения требуются тщательно экранированные и охлажденные установки. У ридберговского атома, состоящего из протона и электрона с главным квантовым числом 100, энергия связи составляет 1,36 миллиэлектронвольта. Это соответствует средней энергии теплового движения при температуре 15 К (–258 оС), а для достижения устойчивости установку нужно охлаждать гораздо сильнее!

Ридберговские атомы и подобные им образования могут оказаться одним из ключей к созданию квантового компьютера. За счет больших размеров и малой энергии связи электрона с центром они обладают огромной поляризуемостью и способны сильно взаимодействовать друг с другом. Связанные состояния ридберговских атомов могут долгое время сохранять когерентность волновой функции и таким образом являться физической основой кубитов в квантовых вычислениях.

Особенно многообещающим возможным применением ридберговских атомов является квантовый симулятор — специальный вид квантового компьютера, который позволяет симулировать поведение физических и химических систем, напрямую отображая их свойства в массиве кубитов. Возможные применения квантовых симуляторов очень широки. Они включают в себя оптимизацию составов высокотемпературных сверхпроводников и изучение их свойств, повышение эффективности процессов синтеза удобрений, изучение процесса свертывания белков и повышение эффективности лекарств, и многое другое.

Еще об удивительных свойствах ридберговских атомов можно почитать здесь.

Экситоны с высоким главным квантовым числом называются ридберговскими, подобно ридберговским атомам, и тоже могут достигать почти макроскопических размеров. В закиси меди были получены гигантские экситоны с главным квантовым числом до 25 и размером до нескольких микрометров.

Поляритоны:

Эти квазичастицы образуются при интенсивном взаимодействии фотонов со средой, в которой они распространяются. Фотон как бы постоянно поглощается с образованием экситона или другой квазичастицы, и переизлучается при его уничтожении. На самом деле, конечно, никаких превращений не происходит — поляритон просто в некоторой степени является и фотоном, и порожденной им квазичастицей. Таким образом, эти квазичастицы можно назвать «гибридом света и материи». Тип поляритона определяется тем, с какими квазичастицами фотон взаимодействует, а это взаимодействие тем сильнее, чем точнее совпадение частот и волновых векторов фотона и квазичастицы. Бывают экситонные, плазмонные, фононные и многие другие поляритоны.

Как может существовать фононный поляритон, если скорости света и звука различаются в сотни тысяч раз? Это становится возможным благодаря падению групповой скорости света в материале, то есть скорости распространения фотона вместе со связанными «облаком возмущений». Квазичастицы как бы «повисают» на фотоне, замедляя его распространение — именно так физики «останавливали свет» с помощью бозе-эйнштейновских конденсатов. А при совпадении параметров нескольких типов квазичастиц возможно появление гибридов, в которых «всё взаимодействует со всем».

Эти явления, которые обычно можно наблюдать только в экзотических состояниях материи, наблюдались и в монокристаллах закиси меди. Групповая скорость фотонов определенных энергий падает в них почти до скорости звука. Более того, в оксиде меди свет интенсивно взаимодействует и с фононами, и с экситонами, вызывая образование квазичастиц, которые физики назвали фоноритонами.

Ридберговские поляритоны и квантовые компьютеры

Как и следует из их названия, ридберговские поляритоны являются гибридом фотона и ридберговского экситона.

Ридберговские поляритоны в качестве субстрата для квантового компьютера обладают преимуществом перед ридберговскими атомами. Поскольку они образуются в кристалле полупроводника, для их использования не требуется сверхвысокий вакуум, а извлечь из них информацию легче, чем из системы кубитов на ридберговских атомах. В этом же направлении действует и сильная связь поляритонов с фотонами.

Но у помещения кубитов в твердое тело есть и обратная сторона. В твердом теле к способам разрушения и без того хрупкого ридберговского состояния добавляются встречи с дефектами кристаллической решетки и другим квазичастичным «населением» кристалла. Фононы, которые имеют энергию порядка миллиэлектронвольт, обычным химическим связям нипочем, но они легко разрушают ридберговские экситоны.

С фононами можно справиться путем охлаждения кристалла до температуры жидкого гелия, но с дефектами дело обстоит гораздо сложнее. Энергия взаимодействия электрона с дефектом может достигать единиц электронвольт. Если среди миллионов или миллиардов узлов решетки, по которым «гуляет» электрон ридберговского экситона, попадется хоть один дефект, электрон тут же забудет о том, что он входил в состав экситона, поляритона и кубита, и всю связанную с этим информацию.

Природа vs. лаборатория

Человечество научилось выращивать огромные бездефектные кристаллы полупроводников, требуемых для электронной промышленности. Но закись меди пока не входит в их число. Это соединение подвержено как окислению до оксида меди (II), так и восстановлению до элементарной меди. Небольшие отклонения условий, таких как температура или состав среды роста, приводят к появлению большого количества дефектов – анионных или катионных вакансий. Именно поэтому купроксный выпрямитель, то есть полупроводниковый диод из закиси меди, при всей его кажущейся низкотехнологичности, не так-то прост в изготовлении. В этом же направлении действует и скорость выращивания кристалла, к которой закись меди очень чувствительна. И если с контролем условий люди еще научились справляться, то с борьбой с дефектами путем уменьшения скорости выращивания кристалла все гораздо сложнее.

Здесь физикам, получившим наши рекордные поляритоны, и помогла природа. В земных лабораториях и промышленных установках кристаллы выращиваются в течение нескольких суток или недель. Об искусственных кристаллах, выращенных даже в течение века, нечего и думать — используемому сейчас для выращивания процессорных кристаллов кремния методу Чохральского только недавно исполнилось столетие. Но природа не испытывает недостатка во времени — она располагает тысячами и миллионами лет. Кроме того, глубоко в земных недрах, в геотермальных системах, могут создаваться подходящие окислительно-восстановительные условия, при которых закись меди устойчива, и удерживаться там в течение геологических интервалов времени. Оказалось, что природные кристаллы закиси меди, или минерала куприта, достаточно совершенны для того, чтобы получать и изучать в них ридберговские поляритоны. Природа смогла обойти человека в создании материалов не только для ювелирного дела, но и для науки!

Физики использовали сростки драгоценных кристаллов куприта, добытые в руднике в Намибии. Они вырезали из них пластинки толщиной 30 микрометров, покрыли пластинки полупрозрачными зеркальными слоями, сделав таким образом резонатор Фабри-Перо. Это требуется для превращения лазерного излучения в стоячую волну и усиления взаимодействия фотонов с экситонами. Затем они охладили пластинки до температуры на 1,2 градуса выше абсолютного нуля, чтобы уберечь поляритоны от разрушительного воздействия фононов, и накачивали резонатор лазерным светом с длиной волны около 590 нм. Главное квантовое число полученных ридберговских поляритонов достигало шести, что уступает рекорду для простых экситонов, но в поляритонах достигнуто впервые.

Глубина, скрывающаяся в драгоценных камнях куприта, поразительна. Темный блеск этих кристаллов скрывает в себе удивительные квантовые явления, редко встречающиеся в столь простых соединениях, а само соединение может использоваться как в примитивных устройствах начала электронной эры, так и в квантовых технологиях на самом острие прогресса.

Отметим здесь еще и уникальность ситуации использования природного сырья для высокотехнологичных научных экспериментов. В 2009 году Джеймс Кэмерон описал что-то похожее в фильме «Аватар», где землянам приходилось летать в соседнюю звездную систему за природным сверхпроводником унобтанием (unobtanium — «неполучаемый»).

Среди любителей «крепкой» фантастики такой прием не считается хорошим вкусом, поскольку и химические элементы, и образуемые ими соединения везде одни и те же, а человек изобретательнее природы в достижении целей. Нейтронные звезды и недра газовых гигантов не в счет — формы материи, существующие при сверхвысоких давлениях и магнитных полях, действительно нельзя получить в лаборатории, но они и существуют «только там». При возвращении в более привычные условия они сразу распались бы на знакомые нам соединения, кристаллические структуры и химические элементы, и как правило, с мощнейшим взрывом.

Оказывается, это представление не вполне верно. Природа располагает одним инструментом, во владении которым мы уступаем ей наголову, и который способен создавать устойчивые материалы — временем. Надеемся, что если ридберговские поляритоны в оксиде меди действительно докажут свою эффективность в качестве основы квантовых компьютеров, то способ ее получения в виде бездефектных монокристаллов будет найден, и куприт не станет унобтанием!