Создан материал для мощных квантовых компьютеров будущего

Физики создали соединение лития, осмия и кислорода, которое проявляет свойства спиновой жидкости. Это одно из немногих подобных веществ и первое, содержащее осмий. Исследователи полагают, что материал позволит создавать квантовые компьютеры. Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Scientific Reports группой во главе с Масом Субраманианом (Mas Subramanian) из Орегонского университета в США.

Напомним, что у каждого электрона есть собственный момент импульса, он же спин. Природа у этой величины чисто квантовая, и она не имеет в повседневном опыте сколько-нибудь удовлетворительных аналогий. Не погружаясь в математику, можно представить себе, что каждый электрон несёт стрелку, которая может указывать в ту или иную сторону и менять своё направление (как в компасе). Стрелка и указывает направление спина.

Как правило, при комнатной температуре спины электронов направлены по принципу "каждый смотрит куда хочет", да ещё и всё время меняют направление (хотя есть важные исключения, например, в постоянном магните ситуация совсем другая). Колебания стрелок можно сравнить с хаотическим движением молекул жидкости. А вот при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, напротив, спины в веществе выстраиваются как по линейке.

Однако и из этого правила есть исключения. Крайне редко встречаются вещества, у которых даже при самом экстремальном охлаждении спины продолжают вести себя хаотично. Это состояние и называется спиновой жидкостью.

Авторы исследовали вещество с химической формулой Li2,15Os0,85O3. Поясним, что непривычные глазу дробные числа в ней связаны с тем, что формула отражает строение не отдельных молекул, а о больших кристаллов, и в пределах одного такого кристалла разные атомы лития и осмия имеют разные валентности. Причём кристаллическая решётка этого вещества по форме напоминает пчелиные соты.

Исследовав это соединение с помощью дифракции нейтронов и рентгеновской абсорбционной спектроскопии, учёные обнаружили явление, называемое магнитной фрустрацией. Оно заключается в том, что само строение кристаллической решётки мешает спинам электронов выстроиться одинаково по всему кристаллу.

Признаков такой упорядоченности не было обнаружено даже при температуре, всего на 0,1 градуса отличающейся от абсолютного нуля. Из этого авторы заключили, что основным состоянием (то есть состоянием с минимальной энергией) для этого вещества, скорее всего, и является уже упомянутая спиновая жидкость.

"Мы очень рады этой новой разработке, поскольку она расширяет область поиска новых квантовых материалов [со свойствами] спиновой жидкости, которые могут революционизировать процесс обработки и хранения данных", – говорит Субраманиан в пресс-релизе университета.

Поясним, что подобные материалы перспективны для создания квантовых компьютеров. В этих устройствах используются не биты, хранящие только нуль или единицу, а так называемые кубиты, которые могут принимать и промежуточные значения. За счёт этого многократно возрастает скорость обработки данных.

Однако подобная технология требует материалов, проявляющих весьма экзотические свойства. Одним из возможных решений являются вещества, сохраняющие состояние спиновой жидкости.

"Явление квантовой спиновой жидкости до сих пор было обнаружено в очень немногих неорганических материалах, некоторые из которых содержат иридий. Осмий находится рядом с иридием в периодической таблице [Менделеева] и имеет все нужные характеристики для образования соединений, которые могут поддерживать состояние квантовой спиновой жидкости", – поясняет Субраманиан.

В дальнейшем авторы планируют изучить химические процессы,