В сотрудничестве между Университетом Аалто и Институтом физики CAS исследователи создали искусственный квантовый материал, атом за атомом, из магнитного титана поверх подложки из оксида магния. Затем они тщательно спроектировали взаимодействие атомов внутри материала с целью создания нового состояния квантовой материи. Хосе Ладо, доцент Университета Аалто, разработал теоретический проект для создания материала, обладающего топологическим квантовым магнетизмом, а группа под руководством доцента Кай Янга из Института физики CAS создала и измерила искусственный материал, используя атомные манипуляции со сканирующей туннельной микроскопией.

В результате исследователи впервые продемонстрировали новое квантовое состояние материи, известное как топологический квантовый магнит высшего порядка. Топологический магнит может стать новым способом достижения существенной защиты от декогеренции в квантовой технологии.

Исследование было опубликовано сегодня в журнале Природные нанотехнологии

Помимо интереса с точки зрения фундаментальной науки, топологическая квантовая многочастичная материя, такая как этот новый квантовый магнит, может оказать революционное влияние на будущие квантовые технологии.

"Создание многочастичного топологического квантового магнита позволяет исследовать новое захватывающее направление в физике. Возбуждения в топологических квантовых магнитах обладают совершенно иными свойствами, чем у обычных магнитов, и могут позволить нам создавать новые физические явления, выходящие за рамки возможностей современных квантовых материалов", - говорит Ладо.

Квантовые магниты - это материалы, которые реализуют квантовую суперпозицию магнитных состояний, переводя квантовые явления из микроскопического в макроскопический масштаб. Эти материалы обладают экзотическими квантовыми возбуждениями, включая дробные возбуждения, при которых электроны ведут себя так, как будто они разделены на множество частей, которые не существуют нигде за пределами этого материала.

Чтобы манипулировать поведением атомов внутри собранного квантового материала, исследователи протыкали каждый отдельный атом крошечной иглой. Этот метод позволяет проводить точное зондирование кубитов на атомарном уровне. Игла, на самом деле представляющая собой атомарно острый металлический наконечник, служила для возбуждения локального магнитного момента атомов, что приводило к топологическим возбуждениям с повышенной когерентностью.

"Топологические квантовые возбуждения, подобные тем, которые реализованы в топологическом квантовом магните, который мы сейчас создали, могут обеспечить существенную защиту от декогеренции. В конечном счете, защита, обеспечиваемая этими экзотическими возбуждениями, может помочь нам преодолеть некоторые из наиболее острых проблем, связанных с доступными в настоящее время кубитами", - говорит Ладо.

В своем эксперименте исследователи обнаружили, что топологические возбуждения устойчивы к возмущениям, что также было предсказано в теоретической разработке Lado. Результаты также показали, что квантовая когерентность топологических возбуждений была выше, чем у их первоначальных отдельных компонентов. Это открытие может указать на способ превращения искусственного квантового материала исследователей в строительный блок для квантовой информации, защищенный от декогеренции.