Физики приблизились к созданию компьютеров принципиально нового типа

Международная группа физиков, в том числе ученые из МФТИ, сообщила о проведении экспериментального исследования явления моттовского перехода, то есть превращения определенных материалов из диэлектрика в проводник.

Исследователи из Нидерландов, Великобритании, Италии, США и России провели серию экспериментов с моттовскими изоляторами. Согласно зонной теории проводимости эти материалы должны быть проводниками электрического тока, однако на практике они оказываются диэлектриками. В общих чертах механизм, объясняющий эту аномалию, физикам известен, однако полной теории моттовских изоляторов пока нет, и ученым до конца не ясно, как такие материалы превращаются из изоляторов в проводники.

Многие специалисты уверены, что такой эффект способен открыть путь к более быстрым компьютерам. Моттовский переход происходит под воздействием ряда факторов, включающих магнитное поле, и за счет этого им можно управлять извне, пропуская или останавливая электрический ток в нужном месте. Такая схема могла бы заменить обычные транзисторы и при этом оказаться быстрее и компактнее, но для ее реализации нужна разработанная теория моттовского перехода.

В новом исследовании физики использовали специальную модель, которая позволяла изучать квантовые процессы в моттовском изоляторе при помощи так называемых магнитных вихрей. В этой модели внутри сверхпроводящего материала создается квантовый вихрь из электрического тока. Варьируя температуру и магнитное поле, можно переводить образец из одного состояния в другое.

Использованная в экспериментах матрица из ниобиевых островков,
ее рельеф и сечение, а также (C) общий вид в оптический микроскоп.
Иллюстрация предоставлена авторами исследования для ©«Чердак»

Для нового эксперимента ученые изготовили на кремниевой пластине квадратную матрицу из 300х300 ниобиевых «островков» диаметром около 220 нанометров и подвели к ней золотые и ниобиевые контакты. Образец изготовили стандартными методами фотолитографии и затем поместили в криостат, охладив до 1,4 кельвина. Это ниже температуры перехода ниобия в сверхпроводящее состояние, поэтому ниобиевые «островки» стали сверхпроводниками, в них сформировались магнитные вихри, а далее исследователи проанализировали поведение системы в различных условиях.

Ученые измерили сопротивление образца и обнаружили, что эта величина меняется нелинейно с ростом энергии магнитного поля. С теоретической точки зрения полученные результаты означают, что моттовский переход можно представить как превращение вещества из жидкого состояния в газ, что открывает дополнительные возможности для анализа феномена с позиций термодинамики.

Статья принята к публикации в журнале Science и доступна на портале arXiv.org, а кратко об исследовании сообщается в пресс-релизе МФТИ.