Новости - Отрасли ТЭК

Ученые Квантового проекта «Росатома» нашли способ изучать материалы будущего с помощью света

21.07.26 11:46

Новый метод поможет лучше понять сложные состояния вещества, от которых зависит разработка новых материалов, квантовой электроники и твердотельных квантовых симуляторов.

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.

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 руководитель научной группы Квантового центра и Физтеха Александр Чернов.

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.

Источник фото: Квантовый центр