Новые открытия в физике: от квантовых чипов Willow до двумерной спинтроники
2024 год был отмечен заметным прогрессом в фундаментальных исследованиях и разработках в области квантовых и спиновых технологий. Международные коллективы продемонстрировали спиновый эффект Холла в двумерных хиральных материалах, открывая путь к более продвинутой обработке данных. Компания Google презентовала квантовый процессор Willow с 105 кубитами и улучшенной коррекцией ошибок, подтверждая прорывные возможности квантовых вычислений. Параллельно физики разрешили «реакторную аномалию» нейтрино, исключив существование «стерильных» вариантов этих частиц. В сфере энергохранения предложена инновационная «алмазная батарея» на радиоактивном углероде-14, которая теоретически может служить тысячи лет.
Исследователи Google сделали значительный шаг в области квантовых вычислений, создав чип Willow — улучшенную версию их квантового процессора. Этот чип, включающий 105 физических кубитов, позволил продемонстрировать первые квантовые вычисления «ниже порогового значения» ошибок, что является важной вехой на пути к созданию полезных и точных квантовых компьютеров.
Основной особенностью Willow стала демонстрация улучшения точности вычислений при масштабировании логических кубитов. Команда Google показала, что каждый новый логический кубит уменьшает частоту ошибок вдвое, что подтверждает жизнеспособность методов квантовой коррекции ошибок. Эксперимент с Willow также подчеркнул превосходство квантовых компьютеров над классическими. За 5 минут чип выполнил задачу, на решение которой суперкомпьютеру потребовалось бы около 10 в 25-й степени лет, то есть 10 000 000 000 000 000 000 000 000 лет. Это еще раз доказывает, что квантовые технологии готовы преодолеть барьеры современных вычислительных систем.
2024 год стал значимым для развития альтернативных технологий хранения энергии. Среди самых ярких достижений — первая в мире алмазная батарея, созданная с использованием радиоактивного углерода-14. Этот инновационный источник энергии обещает изменить подход к питанию устройств в условиях, где замена батарей практически невозможна. Главное преимущество алмазной батареи — ее долговечность. Срок службы устройства оценивается в 5700 лет, что соответствует периоду полураспада углерода-14. Она работает непрерывно, вырабатывая энергию без необходимости подзарядки.
Есть такое явление, которое называется нейтринные осцилляции, за это было дано несколько Нобелевских премий, — переход нейтрино одного типа в другой. В рамках теоретических расчетов Стандартной модели это физически невозможно. Таким образом, явление оказывается прямым указанием на неполноту современной физической картины.
В ядерных реакторах происходит распад тяжелых изотопов и вылетают антинейтрино. Для изучения антинейтрино от ядерных реакторов у нас есть несколько экспериментальных установок. Лет 15 назад физики переанализировали эти данные и вдруг поняли, что этих антинейтрино не хватает. Появилась «реакторная аномалия»: куда-то пропадает 5% электронного антинейтрино. Ну и это, конечно же, очень важно, потому что вы вычисляете это количество, глядя на свое представление о цепочке ядерных реакций. Такой-то элемент распадается туда-то, туда-то, туда-то, и в этих же процессах выделяется тепло, которое вы превращаете в электричество в атомных станциях.
Ученые предположили, что там могут вылетать стерильные антинейтрино — ни разу не зафиксированный до этого тип частиц. Так вот, летом вышла статья, описывающая экспериментальный проект по поиску таких антинейтрино. Эксперимент называется PROSPECT (США). Авторы исключили объяснение этих аномалий через осцилляции в стерильное нейтрино. Оказалось, что некоторые элементы спектра неправильно объяснялись, на самом деле они другие. Если это учесть, то эффект «недостачи» в 5% исчезает.
Это важно потому, что глядя на спектр антинейтрино, можно судить о химических процессах в реакторах в конкретный момент времени.
В России в ближайшее время ожидается запуск обновленных инструментов для регистрации антинейтрино: «ДАНС» и «нейтрино-4». Они будут сопоставимы по точности с PROSPECT или даже лучше. Такие детекторы очень важны: возможно, в будущем на всех атомных станциях должны будут стоять именно такие, позволяющие по выходу антинейтрино отследить, что происходит в реакторе.
В последние несколько лет к хорошо известным ферромарнетикам и антиферромагнетикам был добавлен новый класс магнитных материалов — альтермагнетики.
В альтермагнетиках концепция жесткой связи спина и импульса (spin-momentum locking) была распространена на случай слабого спин-орбитального взаимодействия, другими словами, на случай нерелятивистких групп магнитной симметрии. Новый класс материалов интересен как сам по себе, так и с точки зрения задач спинтроники — применения спина, а не заряда электрона в системах обработки информации.
Мои научные интересы сосредоточены в области спинтроники — раздела физики конденсированного состояния, изучающего управление магнитным порядком в материалах посредством токоиндуцированной спиновой поляризации электронов. Особое внимание уделяется антиферромагнетикам с перпендикулярной магнитной анизотропией, которые благодаря отсутствию макроскопического магнитного момента, ультрабыстрой спиновой динамике (до терагерцового диапазона) и устойчивости к внешним магнитным полям представляют перспективную платформу для разработки энергоэффективных устройств спинтроники с субнанометровым масштабированием и петагерцовой скоростью переключения.
В 2024 году исследовательская группа под руководством Проф. Сюфэн Хана (Xiufeng Han) достигла прорыва в этой области, продемонстрировав электрическое управление перпендикулярным Неелевским магнитным порядком в коллинеарном антиферромагнетике Cr₂O₃ (оксид хрома(III)). Успешная реализация спиново-орбитального токового переключения антиферромагнитных доменов в данной системе открывает путь к созданию энергонезависимой памяти нового поколения (AFM-based spintronic memory), сочетающей высокую плотность записи, наносекундное быстродействие и полную совместимость с КМОП-технологиями. Это достижение существенно расширяет возможности интеграции антиферромагнитных материалов в гибридные полупроводниково-спинтронные устройства.
Я занимаюсь двумерными полупроводниками. В 2024 году я хочу отметить исследование, опубликованное в Science, посвященное спиновому эффекту Холла в двумерных хиральных материалах.
Исследование сделано большим международным коллективом с ведущими авторами из Сингапура. Несмотря на сложное название, это эффект, связанный с возможностью контроля спина электрона, то есть имеющий прямое отношение к новым подходам к обработке информации. Ранее нечто подобное предлагалось в валиотронике, подходу, связанному с обработкой импульса электрона вместо его заряда, как в обычной электронике. В исследовании, о котором я говорю, предлагается использовать хиральность для задания и контроля квантовых степеней свободы. Вообще, в этом году появилось много статей, посвященных хиральным материалам.
Хиральные объекты несовместимы со своим зеркальным изображением, такие системы широко распространены в природе, начиная от органических молекул и заканчивая галактиками.
Более того, избыток хиральных молекул, принадлежащих одному пространственному энантиомеру, является признаком живой природы, как, например, L-аминокислоты или D-сахара. Хиральные объекты проявляют ряд уникальных свойств. Мы в наших исследованиях в МГУ также создаем хиральные полупроводники. Это может иметь интерес для фотонных и спинтронных технологий, для обработки информации.
Говоря о науке в целом, я бы отметил то, что компания Google представила квантовый процессор Willow со 105 кубитами, в котором введена квантовая коррекция ошибок, что может продвинуть квантовые вычисления.
Научное направление нашего коллектива связано с физикой магнитных явлений, а именно, изучением процессов перемагничивания в тонких пленках с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Наши исследования направлены на поиск путей снижения времени переключения магнитного момента и повышения энергоэффективности этого процесса.
В прошлом году у нашего коллаборатора профессора Хiufeng Han, руководителя Пекинской национальной лаборатории физики конденсированных сред (Институт физики, Китайская академия наук) вышла серия публикаций с результатами исследований спин-фотонного переключения намагниченности.
Исследования открывают пути для систем передачи, обработки и хранения информации на основе оптики и магнитных материалов.
Предложен новый тип устройств SOTspin-LEDdevices, который найдет применение в квантовых вычислениях, оптико-магнитных преобразователей, ультрабыстрых оптических регистраторах намагниченности. Работы выполнена международным коллективом авторов, представляющих страны Евросоюза, США и Китая.
