В последнее время я стал задумываться о том, существуют ли такие квантовые объекты и явления, для которых можно подобрать прямые макроскопические аналоги. В конце лета я рассказывал в этом блоге об удивительном квантовом процессе, происходящем в некоторых веществах (например, в спиновых льдах) и напоминающем одновременно лавину и пожар, то есть распространение снега и огня. Есть и другой не менее интересный феномен такого рода, открытый инженерами IBM в середине 1990-х; он получил название «квантовый мираж». Чтобы понять, как он возникает, нужно немного рассказать о работе сканирующего туннельного микроскопа (STM), а также о мельчайших искусственных объектах, которые мы научились создавать (и вот уже более 30 лет ищем им применение): квантовых загонах.
Это расцвеченное изображение первого квантового загона, собранного в компании IBM в 1993 году. Квантовый загон — редкий пример, когда от совершенно не прикладных разработок из области фундаментальной науки до воплощения проекта на практике проходит буквально несколько лет. Квантовые загоны выстраиваются атом за атомом при помощи головки сканирующего туннельного микроскопа — этот инструмент напоминает электронную иглу, позволяющую манипулировать отдельными атомами (переставлять), а не просто рассматривать их. Сканирующий туннельный микроскоп — это разработка, созданная именно в швейцарской лаборатории IBM. Этот прибор собрали в 1981 году под руководством Герда Карла Биннига (род. 1947) и Генриха Рорера (1933 — 2013), которые уже в 1986 году были удостоены Нобелевской премии по физике за своё изобретение. Первый квантовый загон был собран в 1993 году в исследовательском центре Альмаден компании IBM в Сан-Хосе, штат Калифорния, под руководством Дональда Эйглера (род. 1953) и при участии его сотрудников Кристофера Лутца и Майкла Кромми (кстати, на Хабре в 2020 году появилась интересная статья в переводе уважаемого @TilekSamiev о том, как другая группа с участием Майкла Кромми собирала нанопровода из отдельных атомов углерода). Первый квантовый загон состоял из 48 атомов железа, выстроенных в круг на медной подложке. В центре загона располагался атом кобальта. Вот как выглядела эта конструкция на разных этапах сборки:
Квантовые загоны до сих пор создаются примерно по такому же принципу. На идеально ровной поверхности (до уровня отдельных атомов) при помощи иглы STM выставляются в форме изгороди атомы металла, а в центре структуры находятся один или несколько атомов другого элемента, заключённых в этот периметр как в клетку. По-английски такая структура называется «corral», и действительно напоминает корраль — традиционный круговой загон, используемый в Мексике и Испании. Вот полуразрушенный овечий корраль, впоследствии обнесённый современной сеткой:
Когда загон собран, тот же самый сканирующий туннельный микроскоп позволяет изучать атомы и интерференционный волновой узор, образующийся благодаря взаимодействию их электронов. При первых попытках собрать квантовый загон предполагалось, что электроны окажутся в них запечатаны, и вся система станет вести себя подобно многоядерному атому. Но оказалось, что стенки загона вполне проницаемы, и «квантового хаоса» в пределах загона не возникает. Зато возникают квантовые миражи — микроскоп фиксирует «тени» некоторых атомов там, где атома определённо нет.
Это явление назвали «квантовым миражом». Впервые наблюдать его удалось в 2000 году группе Гарри Манохарана, изучавшей свойства квантовых загонов. Мираж возникает, если вызвать в квантовом загоне эффект Кондо — любопытное свойство физики металлов, открытое в 1930-е годы и объяснённое в 1964 году японским физиком Дзюном Кондо.
Эффект Кондо возникает в результате наличия минимальной примеси (не более нескольких атомов) одного металла в химически чистом образце другого металла. При этом атом-примесь должен обладать магнитными свойствами, и удобнее всего в таком качестве использовать железо и кобальт. Эффект Кондо — один из тех случаев в квантовой физике, когда группа атомов ведёт себя как одна частица. Квантовый загон очень удобен для моделирования эффекта Кондо, поскольку заключённые внутри загона электроны намагниченного атома «отражаются» от стенок, и «намагничивается» сразу всё электронное облако центрального атома. Более того, при сверхнизких температурах все эти электроны оказываются в суперпозиции друг с другом. Их спины в этот момент направлены сразу вверх и вниз.
Здесь мы подходим к феномену квантового миража. На этой иллюстрации классический квантовый загон, где на медной подложке атомы железа окружают атом кобальта.
Радиус квантового загона, собранного группой Дональда Эйглера, составляет 71,3 ангстрем (7,13 нм), что сопоставимо с длиной волны де Бройля, при которой в системе доминируют квантовомеханические эффекты. Атомы в такой ситуации называются «адатомами» или «адсорбированными атомами». Адатом расположен на металлической подложке или на поверхности кристалла и фактически является с ней одним целым на квантовом уровне. По физическим свойствам адатом противоположен вакансии в кристалле.
На этой иллюстрации яркое малиновое возвышение — это атом кобальта, а малиновое пятно слева — это мираж. На спектрографе он выглядит примерно как «ещё один» атом кобальта. На месте миража в реальности никакого атома нет, однако законы рассеяния волн у электронов позволяют в точности предсказать, где такой мираж окажется.
Подобные миражи возникают на поверхности всех благородных металлов. Миражи похожи на квантовые точки, но квантовые состояния внутри загонов легко интерпретируются как средствами спектроскопии, так и пространственно. Изгородь из адатомов отражает волны внутрь загона, а значение волновой функции в каждой точке загона вычисляется по уравнению Шрёдингера. Как показывает опыт, яркость (интенсивность) миража под электронным микроскопом примерно втрое меньше, чем яркость центрального атома, который мираж отбрасывает. Здесь вырисовывается два свойства квантового загона, которые могут оказаться незаменимы при квантовых вычислениях:
1) Поскольку все электроны внутри загона остаются в суперпозиции, в таком крошечном пространстве можно разместить десятки кубитов и некоторое время удерживать их в когерентном состоянии.
2) Квантовый мираж можно спроецировать за границы загона. Притом, что сигнал от него будет слабее, чем от того атома, который является источником миража, мираж содержит ту же информацию, что и сам атом. Поэтому через мираж можно «подать на выход» из загона результат квантового вычисления, выполненного внутри загона.
Эйглер полагает, что квантовый мираж позволяет контролируемо передавать информацию сквозь твёрдое тело. К настоящему времени протестированы овальные квантовые загоны длиной до 20 нм и шириной по 10 нм, а также загоны из нескольких отсеков, образуемые органическими молекулами, к чему я вернусь ниже. По мнению Манохарана, передача информации через квантовый мираж имеет и чисто научную ценность, например, чтобы зондировать внутренний состав атомов, изучать природу магнетизма на атомном уровне, переключать спины отдельных ядер или электронов. Слабость (тусклость) миража можно было бы побороть при помощи резонаторов или усилителей сопоставимого масштаба, которые расставлялись бы рядом с загоном.
По-видимому, из квантовых загонов можно было бы составить электрическую цепь, но сами загоны при этом должны иметь цилиндрическую форму, а не кольцевую. Выстраивать такие загоны «вручную» при помощи головки STM очень неудобно, и едва ли возможно выстроить промышленный аналог такого процесса. В 2015 году предпринимались попытки использовать в качестве трафарета для таких загонов решётку графена, однако графен до достижения сверхпроводимости является изолятором, а не проводником, поэтому плохо подходит для этой цели. В любом случае, при дальнейшей миниатюризации провода, сконструированные по законам классической физики, будут работать всё хуже, поэтому для них придётся подыскивать альтернативы или дублирующие каналы. Кроме того, для успешной интеграции с существующими системами квантовые загоны желательно перенести с металлической подложки на кремнийсодержащую, что также требует серьёзно совершенствовать всю технологию.
С начала 2020-х предпринимаются попытки адаптировать квантовые загоны к работе на органических носителях, то есть на кольцах и цепочках, звенья которых (как и графен) состоят из атомов углерода. Систематизировать эту работу и предложить протокол для использования квантовых загонов в вычислительной технике одним из первых попытался профессор Джионг Лю с химического факультета Национального Сингапурского Университета (NUS). Он разработал и опробовал протокол для сборки атомно точных органических квантовых загонов (OQC), объединённых ковалентными связями. Протокол позволяет получать не только сами загоны, но и нужные квантовые состояния внутри них. Органические соединения наносятся на золотую подложку. В цепочке загонов можно усиливать передаваемый сигнал методом резонанса, этот метод опирается на теоретические разработки, ранее выполненные Александром Родиным из колледжа Yale-NUS при Сингапурском университете. Вот как выглядят эти загоны под электронным микроскопом, и каковы их примерные структурные формулы:
Самосборные квантовые загоны
С конца 2000-х предпринимаются попытки автоматизировать сборку квантовых загонов. Одна из первых таких работ была выполнена в 2007 году под руководством Валерия Степанюка из Института физики микроструктур в Галле.
Основной недостаток традиционных методов сборки квантовых загонов связан не столько с кропотливой сборкой адатомов, переставляемых иглой STM, сколько с тем, что их удивительные свойства проявляются лишь при температурах около абсолютного нуля. Более новые исследования (в начале 2020-х эту работу продолжает, например, Михаил Хеннер из Западного университета штата Кентукки) призваны не только автоматизировать сборку загонов в цепи, но и поднять рабочую температуру таких цепей. Более новые исследования демонстрируют, что при комнатной температуре можно организовать отложение галогеналканов на кристаллической кремниевой подложке с их последующей сборкой в кольцевые димеры. Эти молекулы сохраняют стабильность при температуре до 100 °C, а при более низких температурах сближаются по свойствам с квантовыми загонами — как минимум, в них образуются полноценные адатомы, неотделимые от подложки.
В середине 2000-х в Канаде такие разработки велись в университете Торонто под руководством Джона Чарльза Полани (род. 1929), лауреата Нобелевской премии по химии за 1986 год, при поддержке учёных из Ливерпульского университета. Учёные обрабатывали кремниевую подложку раствором 1-хлордодекана и наблюдали, как кольцевые молекулы окружали отдельные кремниевые адатомы, выстраивая новые связи между ними. Атомы углерода мельче атомов металлов и под электронным микроскопом видны хуже. Более того, энергетические уровни кремниевых, металлических и углеродных атомов в таком загоне приводят к размытию картинки на электронном микроскопе, но физическая сторона процесса демонстрирует, что такие хлорорганические соединения действительно позволяют объединять отдельные квантовые загоны в более крупные и разветвлённые цепи.
Несмотря на то, что квантовые загоны известны уже более 30 лет, они изучены очень слабо и не имеют практического применения. Тем не менее, если говорить о перспективах этих изящных структур, можно вспомнить о том, что описанные исследования сближаются с попытками получать искусственные фуллерены путём свёртки листов графена. Вот иллюстрация такой свёртки, выполненной в 2018 году.
Остаётся открытым вопрос о том, можно ли аналогичным образом получить трёхмерные квантовые загоны, и какие свойства (особенно с точки зрения поддержания когерентности частиц) они могли бы проявлять.