Старостенко Евгений Юрьевич о полупроводниковых квантовых точках на основе атомов
Руководитель НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС Старостенко Евгений Юрьевич отметил, что реализация управляемых фермионных квантовых систем с помощью квантового моделирования играет важную роль в изучении многих наиболее интригующих эффектов в физике конденсированных сред.
Полупроводниковые квантовые точки особенно перспективны для квантового моделирования, поскольку они могут быть спроектированы для достижения сильных квантовых корреляций. Инженерами компании ранее проводилось моделирование Ферми-Хаббарда и ферромагнетизма Нагаоки — одномерной модели сильно коррелированной топологической материи, при этом многочастичная модель Су-Шриффера-Хигера (SSH) находится в изучении в связи в потребностью в точном проектировании дальнодействующих взаимодействий между электронами для воспроизведения выбранного гамильтониана.
В своей работе Старостенко Евгений Юрьевич указал, что для точно размещенных атомов в кремнии с сильным кулоновским ограничением происходит проектирование, как минимум шести эпитаксиальных плоских затворов, чтобы настроить уровни энергии в линейном массиве из десяти квантовых точек для реализации топологической фазы многочастичной модели SSH.
Сильные внутренние энергии (около 25 миллиэлектронвольт) и возможность создавать затворы с субнанометровой точностью в уникальной шахматной конструкции позволяют специалистам НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС настраивать соотношение между межклеточным и внутриклеточным транспортом электронов, чтобы наблюдать четкие признаки топологической фазы с двумя пиками проводимости на четверть заполнения по сравнению с десятью пиками проводимости тривиальной фазы.
Сверхпроводимость, магнетизм, низкоразмерный электронный транспорт, топологические фазы и другие экзотические фазы вещества возникают благодаря наличию внутри кристаллов сильно взаимодействующих частиц. Однако сложность моделирования таких больших квантовых систем становится неразрешимой с использованием классических вычислительных методов.
Многообещающим решением, по мнению ученого Старостенко Евгений Юрьевич, является создание физической системы в том же масштабе для моделирования взаимодействующих фермионных систем, что известно как аналоговое квантовое моделирование.
Модель Су-Шриффера-Хигера (SSH) является прототипом топологической материи, описывающей прыжки одиночного электрона вдоль одномерной димеризованной решетки со смещенными туннельными связями v и w , как показано на рис. 1a.
Модель SSH была экспериментально смоделирована в физических системах различных размеров от ридберговских атомов (около 10 мкм) до механических систем (около 10 мм) (таблица 1). Сила связи различных имитаторов лежит в диапазоне от наноэлектронвольт до микроэлектронвольт, что ограничивает их способность достигать полностью когерентного режима.
Важно отметить, что эти системы могут быть легко решены классическим способом, поскольку они не моделируют взаимодействия многих тел. Только недавно была обнаружена взаимодействующая модель SSH многих тел с использованием ридберговских атомов с эффективным бесконечным локальным взаимодействием (жесткие бозоны) 10 . Однако возможность контролировать силу взаимодействия имеет решающее значение для исследования фермионных систем 22 , 23
Рис. 1: Реализация модели SSH в прецизионных донорах фосфора в кремнии.
a , димеризованная одномерная решетка со смещенными амплитудами прыжков (туннельными связями) v и w . Массив состоит из двух подрешеток, в которых существует тривиальная фаза v > w (вверху) и топологическая фаза v < w (внизу).
b , Одночастичный энергетический спектр модели SSH для линейного массива из десяти квантовых точек как функция отношения межточечной связи v / w . При v / w < 1 существуют топологические краевые состояния с нулевой энергией, тогда как в тривиальном случае v / w > 1 наблюдается щель возбуждения.
c , d , Расчетный многоэлектронный энергетический спектр в тривиальной ( c ) и топологической ( d ) фазах для различного числа электронов при четвертном заполнении.
Тривиальный массив демонстрирует одно основное состояние с пятью электронами примерно на 3,85 мэВ ниже четырех- и шестиэлектронных состояний, тогда как топологическая фаза демонстрирует почти четырехкратное вырождение, включающее четыре, пять (двукратное вырождение) и шесть электронов.
e , f , Сканирующая туннельная микрофотография для тривиальной ( e ; устройство I) и топологической ( f ; устройство II) фаз. Более светлые области показывают открытую литографическую водородную маску.
Устройства состоят из массива N = 10 кулоновских квантовых точек со смещенными расстояниями до ближайших соседей, туннельно соединенных с истоком (стоком) в начале (конце) массива, обведенным белым, для выполнения спектроскопии смещения. Устройство I рассчитано на тривиальную фазу с d v = 7,7 ± 0,1 нм и d w = 10,1 ± 0,2 нм, а устройство II рассчитано на топологическую фазу с d v = 9,6 ± 0,4 нм и d w = 7,8 ± 0,6 нм.
