Физики из Университета ИТМО вместе с коллегами из Австралийского национального университета разработали электромагнитный аналог топологического изолятора на основе резонансных сферических частиц.
Созданный ими материал, пишет «Чердак», подобен топологическому изолятору — невозможному с точки зрения классической физики материалу.
Обычные материалы либо проводят ток, либо нет. У них может быть разное электрическое сопротивление, разные механизмы пропускания электрического тока, но если уж материал является проводником, он пропускает ток по всему своему объему. А топологический изолятор сам по себе ток не пропускает, однако его поверхность — прекрасный проводник. Это не результат появления какой-нибудь тонкой пленки с особым химическим составом и не следствие скин-эффекта, при котором электромагнитное поле не проникает вглубь материала и потому весь ток течет вблизи поверхности. Топологический изолятор ведет себя так из-за квантовых эффектов. Если, например, брусок топологического изолятора распилить пополам, то поверхность среза тоже будет пропускать ток.
Схематическое изображение нового материала — излучение, попавшее на цепочку сфер, собирается только на концах. Ученые использовали СВЧ-излучение, однако идея должна сработать и в случае света и сфер микроскопического размера. Иллюстрация: ИТМО
Ученые из ИТМО создали аналог топологического изолятора, в котором электромагнитные волны тоже распространяются только по поверхности и подчиняются тем же законам, что и электроны внутри топологических изоляторов. В основе разработки лежат уложенные в виде зигзагообразных линий шарики диаметром 7,5 миллиметра из особой керамики. Электромагнитное поле при облучении такой цепочки СВЧ-излучением с частотой 7,2 ГГц фокусировалось только на одном или двух концах цепочки и никогда не наблюдалось в середине.
Топологические изоляторы — это не просто курьез. Помимо наблюдения с их помощью ряда экзотических квантовых явлений физики придумали использовать топологические изоляторы в квантовых компьютерах для создания вычислительных элементов и ячеек памяти.
Как пояснили разработчики, внедрение в квантовые чипы нового материала позволит эффективно разделять два потока электромагнитных сигналов: если те распространяются только по поверхностям и без рассеяния на различных препятствиях, то они не будут влиять друг на друга и создавать лишние помехи.
Для создания квантового компьютера потребуется решить еще ряд других проблем как технического, так и фундаментального характера, однако новая работа позволяет говорить о том, что на пути к доступным квантовым вычислениям сделан еще один важный шаг.
Кроме того, исследователи предполагают, что уже сейчас их разработка может пригодится в схемах, которые оперируют микроволновым излучением, а если уменьшить диаметр сфер, то таким образом можно будет управлять и оптическими сигналами.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.
