В рамках реализации дорожной карты по квантовым вычислениям, которой руководит госкорпорация «Росатом», исследователи из Квантового центра, Национального исследовательского университета ИТМО (НИУ ИТМО) и Физтеха впервые показали, что коллективное поведение электронов в ультратонком материале можно наблюдать с помощью света. Научная статья о данной работе опубликована в авторитетном журнале «Physical Review B».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.
«Мы впервые показали, что 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 один из авторов работы, руководитель научной группы Квантового центра и Физтеха Александр Чернов.
Подробнее о научном достижении. 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[1], примерно ниже –247 °C, и точной настройке плотности электронов. Для этого в НИУ ИТМО разработали теоретическую модель и экспериментальный протокол, которые позволяют определять период кристалла по спектрам отражения двумерного материала. 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.
Госкорпорация «Росатом»
– глобальный технологический многопрофильный холдинг, объединяющий активы в энергетике, машиностроении, строительстве. Включает в себя более 550 предприятий и организаций, в которых работает около 415 тыс. человек. С 2020 года «Росатом» отвечает за реализацию дорожной карты (ДК) по развитию высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». Работа в данном направлении является основой Квантового проекта «Росатома», экосистема которого объединяет 19 научных институтов и университетов, включая более 750+ исследователей и инженеров. Важной задачей первого этапа Квантового проекта стало создание российского квантового компьютера: разработаны прототипы четырех вычислителей на ионах, атомах, фотонах и сверхпроводниках – по этому показателю страна вошла в число первых трех стран-лидеров. На сегодняшний день Россия обладает 7 квантовыми процессорами, 5 из них созданы в рамках ДК. 3 квантовых вычислителя достигли размерности 70+ кубитов. Реализация ДК на 2025-2030 гг. нацелена на достижение качественных эффектов развития квантовых технологий в России и овладение практикой применения квантовых технологий, в первую очередь, в российской атомной отрасли, в которой реализуется 30+ пилотных проектов. С 2026 года «Росатом» включается в исследования и разработки в области квантовых сенсоров.
