Учёные впервые смогли управлять квантовыми состояниями в германене с помощью электрического поля

Исследователи из Университета Твенте и Утрехтского университета впервые продемонстрировали, что квантовые состояния в ультратонком материале германене можно включать и выключать, используя только электрическое поле. Учёные смогли очень точно варьировать напряжённость поля, заставляя особые «топологические» состояния в нанолентах исчезать или появляться.

Топография большой площади, полученная с помощью сканирующего туннельного микроскопа, показывает наноленты германена (обведены чёрным пунктиром), встроенные в неупорядоченные нанопроволоки на поверхности Pt/Ge(110). Ленты ориентированы вдоль направления [-110]. Автор: Лумен Ик и др.

Исследование под названием «Управление нульмерными топологическими состояниями в ультраузких нанолентах германена с помощью электрического поля» опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Квантовые компьютеры будут использовать не нули и единицы, а кубиты, которые могут находиться в обоих состояниях одновременно. Теоретически это делает их сверхбыстрыми и мощными, но на практике создание кубитов — огромная проблема: они очень чувствительны к шуму и быстро теряют информацию.

Младший брат графена: Германен

Поэтому учёные ищут материалы, достаточно стабильные, чтобы защитить хрупкие квантовые состояния. Исследователи из Утрехтского университета и Университета Твенте показали, что перспективными могут быть ультраузкие полоски материала германена.

Германен по форме напоминает хорошо известный графен. Он состоит из одного слоя атомов германия, образующих слегка волнистый узор. В чрезвычайно узких лентах (шириной в два-четыре шестиугольника) на концах возникают так называемые нульмерные топологические состояния. Они интересны в качестве строительных блоков для стабильных кубитов, поскольку от природы более устойчивы к шуму, чем обычные квантовые состояния.

Включение и выключение квантовых состояний

Это новое исследование впервые показывает, что между этими состояниями можно переключаться с помощью локального электрического поля. «Мы можем полностью контролировать эти топологические конечные состояния с помощью электричества», — говорит Эсра ван 'т Вестенде из Университета Твенте, соавтор публикации.

«Изменяя расстояние между сканирующим туннельным микроскопом и нанолентой, мы регулируем локальное электрическое поле. Это позволяет нам буквально включать или выключать квантовое состояние».

При слабых полях чрезвычайно узкие наноленты демонстрируют чётко измеримое конечное состояние. Если поле становится сильнее, это состояние полностью исчезает. С более широкими лентами происходит обратное: при более высоких электрических полях у них внезапно появляются топологические конечные состояния.

Моделирование, проведённое теоретической группой Утрехтского университета (Лумен Ик и Кристиане Мораис Смит), показало, как электрическое поле запускает переключение, и предсказало, что узкие и широкие ленты ведут себя по-разному.

Исследование является частью национальной программы QuMat, в рамках которой голландские университеты сотрудничают в области создания новых материалов для квантовых технологий. Сотрудничество между Университетом Твенте и Утрехтским университетом было тесным.

«Этот проект наглядно показывает, зачем нам нужна программа QuMat: экспериментальные и теоретические группы работают вместе над созданием новых материалов для будущих квантовых устройств», — говорит доктор Пантелис Бампулис из Университета Твенте.

Дополнительная информация: Lumen Eek et al, Electric-Field Control of Zero-Dimensional Topological States in Ultranarrow Germanene Nanoribbons, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/jx2x-fb5b. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.16158

Источник: University of Twente