Учёные нашли способ управлять квантовым материалом с помощью теплового шока

Исследователи из Северо-Восточного университета (США) научились переключать экзотический квантовый материал между состоянием проводимости и изоляции. И всё это — без магии и наноботов, а через методику под названием thermal quenching — точечный нагрев и резкое охлаждение.

В центре эксперимента — 1T-TaS₂, кристалл из семейства переходных металлдихалькогенидов (нет, это не заговор, а реальная химия). Этот материал умеет становиться металлом, но только в жутком холоде, близком к абсолютному нулю. До недавнего времени — бесполезная фишка. Но теперь его металлическое состояние удалось зафиксировать при -63°C, причём стабильно — не на миллисекунды, а на месяцы.

Как это вообще работает?

Учёные использовали импульсы света, чтобы перезапустить внутреннюю структуру материала. Ключ к успеху — волны зарядовой плотности (CDW): это когда электроны в материале сами собираются в узоры, как молекулярные хороводы. Комбинируя эти узоры, команда сумела вызвать «скрытое» металлическое состояние, ранее доступное только в криогенных условиях и крайне нестабильное.

Дальше пошли в ход рентгеновское картирование и туннельная спектроскопия — чтобы разглядеть, что вообще там происходит. Выяснилось, что в кристалле есть участки с разной симметрией, а в некоторых зонах элементарная ячейка увеличивается втрое. Всё это влияет на то, как CDW-слои наслаиваются друг на друга. Именно эта хитрая укладка делает материал изолятором даже там, где уже пошла металлическая проводимость.

И зачем нам это?

Сегодняшние процессоры работают в гигагерцах, но с таким материалом можно замахнуться на терагерцы. То есть буквально на три порядка быстрее. Особенно это пригодится в эпоху 3D-чипов, когда инженеры упираются в пределы плотности и габаритов. Кремний уже не тянет — нужно что-то новое.

«Один из главных вызовов — как управлять свойствами материалов по желанию», — объясняет профессор Файет, один из авторов исследования.
«Нам нужно, чтобы материал делал что-то быстро, чётко и воспроизводимо. Только тогда это можно превратить в технологию».

Что дальше?

Намек на будущее ясен: либо мы упрёмся в физические ограничения кремния, либо начнём всерьёз смотреть на материалы вроде 1T-TaS₂. Кто знает, может через пару лет терагерцовые чипы будут нормой, а этот эксперимент — первой строкой в учебниках по истории электроники.