Физики-теоретики из Университета Эмори (США) разработали метод, позволяющий с помощью света обнаруживать анионы - необычные квазичастицы, возникающие из коллективного поведения множества электронов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Анионы интересны тем, что в будущем могут стать основой квантовых вычислений. Изучать их трудно: это не отдельные фундаментальные частицы, а коллективные возбуждения электронов. "Используя определённую частоту света, мы создали сенсор, который может указать местоположение аниона в материале", - поясняет Луис Сантос, профессор физики и старший автор исследования.

Долгое время считалось, что электрический заряд неделим: протон несёт полный положительный заряд, электрон - полный отрицательный. Позже выяснилось, что в двумерных системах заряд может дробиться на квазичастицы, которые не подчиняются стандартным правилам. Их назвали анионами - за "вольное" поведение.

Один из возможных способов применения анионов - создание кубитов, элементарных ячеек квантовой информации. Главная проблема квантовых вычислений в том, что даже слабые помехи - движение молекул воздуха или солнечное излучение - разрушают хрупкие квантовые состояния. "Анионы могут скрываться и избегать многих внешних возмущений, - говорит Сантос. - Это делает их устойчивее типичных квантовых материалов".

Однако топологический квантовый компьютер, который опирался бы на особый класс анионов, пока остаётся чисто теоретической идеей. Наблюдать анионы в лаборатории удаётся в дробном квантовом эффекте Холла: двумерный электронный газ охлаждают до сверхнизких температур и помещают в сильное магнитное поле. Позже исследователи научились получать похожий эффект в менее экстремальных условиях, но задача точного определения местоположения анионов оставалась нерешённой.

Авторы новой работы предложили решение. В атомарно тонких полупроводниках электроны могут связываться с "дырками" - вакансиями - и образовывать экситоны: нейтральные квазичастицы, которые сильно взаимодействуют со светом. Физики предсказали, что если экситон окажется достаточно близко к аниону, они свяжутся в новую составную частицу - экситон-анионное состояние. Этот процесс должен сопровождаться обнаружимым сдвигом энергии, который можно зафиксировать.

Сначала учёные построили модель, затем провели компьютерное моделирование и проанализировали результаты. "Интересно ввести свои идеи в компьютер и увидеть, что результаты совпадают с предсказанием", - говорит Тяньхун Лу, первый автор статьи и аспирант Университета Эмори.

Исследователи надеются, что экспериментаторы проверят их теоретические выкладки. Это станет ещё одним шагом к созданию топологического квантового компьютера. Пока же речь идёт только о теоретической работе: никаких реальных устройств на основе анионов не создано.

Источник: Phys.org