Электроника и квантовые компьютеры следующего поколения основаны на материалах, которые демонстрируют квантово-механические явления и связанные с ними свойства, которыми можно управлять с помощью внешних стимулов, например батареей в микроэлектронной схеме. Квантовая механика, например, определяет, насколько быстро — и если вообще — электроны могут двигаться через материал, и, таким образом, определяет, является ли этот материал металлом, проводящим электрический ток, или изолятором, который не может проводить ток.
Кроме того, взаимодействие электронов со структурой кристалла определяет, может ли материал быть сегнетоэлектриком. В этом случае можно переключаться между двумя электрическими ориентациями, прикладывая внешнее электрическое поле. Возможность активировать несколько квантово-механических свойств в одном материале представляет фундаментальный научный интерес, но также может расширить спектр потенциальных приложений.Международная группа исследователей во главе с профессором Чезаре Франкини и доктором Цзянган Хэ из Группы моделирования квантовых материалов Венского университета в сотрудничестве с профессором Рондинелли из Северо-Западного университета и профессором Син-Цю Чен из Китайской академии наук продемонстрировала что множественные квантовые взаимодействия действительно могут сосуществовать в одном материале и что между ними можно настраиваться с помощью электрического поля. «Это похоже на пробуждение различных видов квантовых взаимодействий, которые спокойно спят в одном доме, не зная друг друга», — объясняет профессор Франкини.
Для своего открытия ученые решили релятивистскую форму уравнения Шредингера, выполнив компьютерное моделирование в Венском научном кластере. Материал, который они выбрали, соединение Ag2BiO3, является исключительным по двум причинам; с одной стороны, он состоит из тяжелого элемента висмута, который позволяет спину электрона взаимодействовать с его собственным движением (спин-орбитальная связь) — особенность, не имеющая аналогов в классической физике. С другой стороны, его кристаллическая структура не обладает инверсионной симметрией, что позволяет предположить, что сегнетоэлектричество могло возникнуть.
«Гармонизация множества квантово-механических свойств, которые часто не сосуществуют вместе, и попытка сделать это намеренно очень сложно», — утверждает профессор Рондинелли. Приложение электрического поля к оксиду Ag2BiO3 изменяет положение атомов и определяет, связаны ли спины в пары (образующие так называемые фермионы Вейля) или разделенные (расщепление Рашбы), а также от того, является ли материал электропроводным или нет. «Мы обнаружили первый реальный случай топологического квантового перехода от сегнетоэлектрического изолятора к несегнетоэлектрическому полуметаллу», — говорит профессор Франчини. Спин-орбитальная связь имеет фундаментальное значение, поскольку она может приводить к образованию новых квантовых состояний материи и представляет собой одну из самых горячих областей исследований в современной физике.
Кроме того, с точки зрения потенциальных приложений, есть многообещающие перспективы: контроль над квантовыми взаимодействиями в реальном материале может позволить сверхбыстрой маломощной электронике и квантовым компьютерам совершить качественный скачок в сборе, обработке и обмене данными.