Группа ученых под руководством физиков из Университета Теннесси представила свидетельства наличия на поверхности кремния редкой хиральной сверхпроводимости. Если открытие подтвердится, материал можно будет использовать в квантовых компьютерах и вычислениях. Это ускорит их массовое применение за счет отработанных технологий создания микрочипов на основе кремния.
В своей работе ученые воспроизвели физику, подобную купратам (сложным соединениям меди и кислорода) — наиболее известным высокотемпературным сверхпроводникам, вырастив одну треть монослоя атомов олова на подложке из кремния. При этом отталкивание между электронами олова настолько велико, что они не могут двигаться и не обладают сверхпроводимостью.
Чтобы преодолеть это сопротивление, ученые внедрили атомы бора в кристаллическую структуру слоя кремния. Такие «вкрапления» забирают часть электронов из слоя олова (до 10%), позволяя оставшимся свободно перемещаться внутри слоя. Эксперименты показали, что такой модифицированный материал обладает металлическими и сверхпроводящими свойствами. При этом его критическая температура превышает аналоги почти всех элементарных сверхпроводников.
Кроме того, исследователи обнаружили, что в таком соединении олова и кремния наблюдаются свойства хиральных сверхпроводников. В хиральных системах вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки одинаковы, но одновременно различны, объясняют ученые, это можно сравнить со сходством и различием правой и левой руки.
В квантовой механике свойства одиночных или парных электронов закодированы в математической волновой функции, которая может быть левой, правой или «топологически тривиальной». Исследование показало, что сверхпроводящая волновая функция в слое олова оказывается направленной в одной части образца по часовой стрелке, а в другой — против часовой стрелки. Со временем они меняются, но всегда вращаются в разные стороны.
Кроме того, эксперименты показали, что внутри нового сверхпроводника наблюдаются два одномерных канала проводимости, которые проходят по периметру материала образца. В этих каналах размещаются экзотические сущности (частицы Майорана), которые при определенных условиях объединяют в себе частицу и античастицу. Подобное поведение также свидетельствует в пользу наличия хиральной сверхпроводимости.
Частицы Майорана топологически защищены, невосприимчивы к тому, что происходит в окружающей их среде и являются перспективными элементами для квантовых компьютеров, отмечают ученые. Исследователи полагают, что интеграция экзотических свойств сверхпроводников с легко масштабируемой платформой материалов на основе кремния приблизит квантовые технологии к производству в промышленных масштабах.
