Новый материал может открыть путь для межпланетных путешествий

Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне (UCI) обнаружили новое состояние вещества в материале, синтезированном в их лабораториях. Это достижение может переопределить границы квантовых вычислений и освоения космоса, поскольку оно может позволить создать более эффективные, устойчивые к радиации компьютеры, потенциально способные работать в экстремальных условиях глубокого космоса.

Открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, описывает квантовую фазу, никогда ранее не наблюдавшуюся экспериментально, в которой электроны и их коллеги, известные как «дырки», спонтанно объединяются в пары, образуя экзотические состояния, называемые экситонами.

Как объясняет ведущий автор исследования профессор Луис А. Хауреги из Калифорнийского университета в Ирвайне, необычность заключается в том, что эти частицы вращаются в одном направлении, создавая уникальную структуру. Как будто вода, помимо жидкости, льда или пара, имеет ещё и четвёртое, ранее неизвестное состояние, говорит Хауреги. Если бы мы могли держать её в руках, она бы излучала яркий высокочастотный свет.

Материал, ответственный за это явление, пентателлурид гафния, был разработан Цзиньюй Лю, научным сотрудником-постдоком в лаборатории Хурэги и первым автором статьи. Чтобы подтвердить существование этого квантового состояния, группа подвергла соединение воздействию сверхсильных магнитных полей — до 70 тесла, что в 700 раз превышает интенсивность магнита на холодильнике — в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) в Нью-Мексико.

Ключ к открытию кроется в неожиданном поведении: при приложении магнитного поля способность материала проводить электричество резко падает. Это падение говорит нам о том, что материал переходит в новое квантовое состояние, отмечает Хауреги. По словам физика, это явление предполагает, что информация может передаваться не через электрический заряд, как в современных устройствах, а посредством спина частиц — метод, который позволит значительно снизить потребление энергии и откроет путь к электронике на основе спинтроники или более стабильным квантовым устройствам.

Но последствия выходят за рамки эффективности. В отличие от обычных полупроводников, этот материал невосприимчив к радиации, что критически важно для длительных космических миссий. Если нам нужны компьютеры для Марса или межзвёздных путешествий, нам нужны компоненты, которые не выйдут из строя после многих лет воздействия космических лучей, подчёркивает Хауреги. Такие компании, как SpaceX, планирующие отправить людей на Красную планету, могли бы извлечь выгоду из этой технологии, хотя исследователь признаёт, что пока ещё слишком рано предсказывать все её сферы применения.

Создание и характеристика пентателлурида гафния потребовали междисциплинарных усилий. Помимо Лю, в проекте приняли участие Роберт Вельсер, Тимоти МакСорли и Триет Хо (все из Калифорнийского университета в Ирвайне). Тем временем, теоретическая группа LANL, состоящая из Шизенга Лина, Варши Субраманьяна и Авадха Саксены, разработала модели для интерпретации результатов. Эксперименты с экстремальными магнитными полями проводились при поддержке Лорела Уинтера, Майкла Т. Петтеса (LANL) и Дэвида Графа из Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде.

Хотя путь к коммерческому применению ещё долог, это открытие знаменует собой важную веху в физике материалов. Мы не знаем, какие двери это откроет, признаёт Хауреги, но это новая территория, и это всегда волнительно. Под пристальным вниманием космической отрасли и квантовых вычислений пентателлурид гафния становится одним из кандидатов на решение двух важнейших технологических задач века: энергоэффективности и выживания в космосе.