Исследователи из Российского квантового центра, Университета ИТМО и МФТИ впервые показали, что коллективное поведение электронов в ультратонком материале можно наблюдать с помощью света. Работа опубликована в научном журнале Physical Review B и реализована в рамках дорожной карты по развитию квантовых вычислений. Новый метод поможет лучше понять сложные состояния вещества, от которых зависит разработка новых материалов, квантовой электроники и твердотельных квантовых симуляторов.

^{Источник: sakkmesterke / Фотобанк Фотодженика}

Результат важен для одного из ключевых направлений современной физики и квантовых технологий — изучения сложных материалов, в которых частицы ведут себя как единая система. Именно коллективные эффекты лежат в основе многих перспективных явлений, включая сверхпроводимость, необычный магнетизм и новые электронные состояния. Понимание этих процессов необходимо для разработки будущих материалов, квантовых устройств и более эффективной электроники.

В обычных условиях электроны в твердом теле могут двигаться почти свободно. Но если материал сильно охладить и уменьшить плотность частиц, электроны начинают заметно отталкиваться друг от друга, и вместо хаотичного движения в определенный момент они выстраиваются в регулярную решетку. Такое состояние называют вигнеровским кристаллом.

В новой работе ученые наблюдали такой электронный кристалл в монослое диселенида вольфрама — полупроводнике размером до нанометра, который относится к двумерным материалам и по толщине уступает человеческому волосу примерно в сто тысяч раз.

Главным отличием стал способ наблюдения. Обычно подобные состояния изучают с помощью электрических измерений или в сильных магнитных полях. Однако ученым удалось увидеть признаки электронного кристалла оптически, то есть через отклик материала на свет, и без внешнего магнитного поля.

В эксперименте электронный кристалл возникал при охлаждении образца ниже 26 K, примерно ниже –247 °C, и точной настройке плотности электронов. Для этого в ИТМО разработали теоретическую модель и экспериментальный протокол, которые позволяют определять период кристалла по спектрам отражения двумерного материала.

«Двумерные гетероструктуры — одна из самых перспективных платформ для изучения квантовых состояний вещества. В ИТМО мы разработали теоретическую модель и экспериментальный протокол, которые позволяют извлекать информацию о структуре электронного кристалла из оптических измерений. Это важный шаг к тому, чтобы проводить такие исследования в твердотельных системах, тогда как раньше подобные эксперименты в основном были возможны только на системах ультрахолодных атомов, которые значительно сложнее и дороже», — отметил Иван Иорш, главный научный сотрудник Нового физтеха ИТМО, один из авторов работы.

Ключевое преимущество подхода в том, что он позволяет наблюдать за состоянием электронов почти бесконтактно. Исследователям не нужно усложнять образец большим числом электрических контактов или использовать сильные магнитные поля, что ведет к более удобному изучению сильно взаимодействующих электронных систем.

В перспективе такие двумерные структуры могут использоваться как основа для твердотельных квантовых симуляторов — квантовых платформ, помогающих моделировать поведение сложных материалов. Подобные задачи зачастую невозможны для решения на классических суперкомпьютерах, поскольку в них требуется учитывать коллективное поведение огромного числа частиц.

«Мы впервые показали, что такое сложное состояние электронов в монослое диселенида вольфрама можно увидеть напрямую с помощью света. В эксперименте электроны в атомарно тонком полупроводнике выстраиваются в регулярную структуру, а ее появление меняет оптический отклик материала, что дает научному сообществу новый инструмент для изучения квантовых состояний, в которых большое число частиц ведет себя как единое целое», — отметил Александр Чернов, руководитель научной группы Российского квантового центра и МФТИ, один из авторов работы.

Работа относится к направлению исследований, связанному с развитием квантовых симуляторов на основе двумерных материалов в рамках дорожной карты развития квантовых вычислений — отечественного Квантового проекта, реализуемого в стране с 2020 года.