MCP: ученые МФТИ и МГУ выращивают крупные кристаллы для квантовых компьютеров
фото: фрипик
В журнале Materials Chemistry and Physics опубликована статья, в которой коллектив исследователей из Московского физико-технического института (МФТИ) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова представил инновационную технологию выращивания объемных кристаллов магнитных топологических изоляторов сантиметровых размеров. Данный метод преодолевает ключевое препятствие для развития квантовых компьютеров и высокопроизводительной электроники, связанное с проблемой термической деградации материалов.
Магнитные топологические изоляторы (МТИ) представляют собой уникальный класс материалов, характеризующихся проведением электрического тока исключительно по своей поверхности при сохранении изоляционных свойств в объеме. Их исключительные физические свойства, включая квантовые эффекты Холла и спиновый эффект Холла, делают их перспективными для применения в квантовых процессорах и спинтронных устройствах. Однако широкое внедрение МТИ в практическую сферу сдерживалось из-за сложностей, связанных с нестабильностью их состава при повышении температуры, что затрудняло получение крупных монокристаллов с высокой степенью однородности.
Российские ученые предложили оригинальное решение данной проблемы, разработав метод трехфазного равновесия, основанный на принципах термодинамического контроля. В отличие от традиционных методов роста из расплава, этот подход предполагает одновременное поддержание трех фаз: растущего кристалла, жидкого расплава и твердого высокоплавкого компонента. Такой подход позволяет осуществлять точный контроль стехиометрии и структурных характеристик образцов на молекулярном уровне, минимизируя нежелательные диффузионные процессы.
В лабораторных условиях МФТИ были успешно выращены массивные кристаллы МТИ сантиметровых размеров, демонстрирующие наличие широких террас на поверхности скола, что свидетельствует о высокой степени кристаллической упорядоченности. Научный сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов Лада Яшина отмечает, что детальное понимание фазовых диаграмм и применение методов термодинамического контроля обеспечили получение образцов с высокой структурной чистотой и однородностью.
Особое внимание было уделено применению предложенной методики к сложным четверным системам, таким как (Ge,Mn)Bi₂Te₄ и Mn(Bi,In)₂Te₄, которые ранее считались трудно поддающимися контролю в процессе синтеза. Управляемое распределение катионов и регуляция коэффициента сегрегации позволили добиться направленного синтеза материалов с заранее заданными магнитными и электронными свойствами, что открывает новые возможности для разработки функциональных устройств на основе МТИ.
Выращенные кристаллы, включая MnBi₂Te₄, представляют собой ценную экспериментальную базу для исследования квантовых аномалий и спиновых эффектов Холла в объемных образцах. Это создает перспективы для поиска экзотических квантовых состояний, таких как аксионный изолятор, и способствует углублению фундаментальных знаний в области физики конденсированных сред.
Разработанная технология рассматривается как стратегически значимый прорыв в создании отечественной элементной базы для квантовых технологий и спинтроники, что соответствует национальным приоритетам в области научно-технологического развития. Результаты исследования подчеркивают высокий уровень компетенций российских ученых в области материаловедения и открывают новые горизонты для практического применения передовых научных достижений.
