В КФУ научились "пропускать" электроны через турникет

Институт физики КФУ является уникальным центром экспериментальных исследований, в котором представлен практически полный набор современных возможностей от физики твердого тела до квантовой радиоэлектроники и радиоскопии.

Большая исследовательская работа ведется в научно-исследовательских лабораториях: "ЯМР-структура", "Функциональные программируемые материалы фотоники для биомедицинских и инфокоммуникационных применений","Спинтронные технологии", "Необычная сверхпроводимость и магнетизм",  "Диэлектрическая спектроскопия сложных систем", "Магнитная сверхтекучесть и нелинейный магнитный резонанс", "Мессбауэровская оптика", "Квантовые жидкости и квантовые газы" и "Новые материалы для квантовых технологий". О работе двух последних лабораторий нам подробно рассказал научный руководитель, заместитель директора Института физики по образовательной деятельности Дмитрий Таюрский.

- Только что закончилась Международная конференция по теме «2D-электроны на поверхности гелия и квантовая информация», - рассказывает Дмитрий Альбертович. -  С докладами на конференции выступили известные ученые - Кимитоши Коно (RIKEN, Япония),  Д.Константинов и В.Пауэлл (OIST, Окинава, Япония), Д.Риз (Национальный Чан Тун университет, Тайвань), Г.Кирхмайер (IQOQI, Инсбрук, Австрия), С. Лайон (Принстонский университет, США), Д.Шустер (университет Чикаго, США), Пауль Ляйдерер (университет г. Констанца, Германия), В. Рязанов и В. Шикин (Институт физики твердого тела, РАН, Черноголовка) и другие. Кстати, Казанский университет представили на конференции аспирант Института физики Нияз Бейсенгулов, выполняющий сейчас эксперименты институте РИКЕН в Японии, молодой научный сотрудник Руслан Батулин, доложивший результаты экспериментальных исследований, выполненных также в рамках программы совместной аспирантура и совместной научно-исследовательской лаборатории КФУ- РИКЕН.

Созданные на базе Центра квантовых технологий лаборатории  "Квантовые жидкости и квантовые газы" и "Новые материалы для квантовых технологий", привлекшие ваше внимание, как раз наиболее близки к теме этой конференции.

Вопрос о создании квантового компьютера стоит уже давно, и ученые всего мира ищут подходящие физические системы, в которых могли бы быть реализованы алгоритмы квантовых вычислений. Все «классические» компьютеры сегодня используют процессоры, модули памяти и микросхемы, работающие на полупроводниковых гетероструктурах, создать же элементы квантового компьютера - большая проблема.

- Теоретически способов для того, чтобы реализовать квантовые вычисления, очень много. Однако за исключением нескольких чрезвычайно дорогих и, несмотря на это, выполняющих самые простые операции систем пока удается приблизиться к созданию  настоящего квантового компьютера, - сожалеет профессор. - Приехавшие на семинар ученые работают над созданием наноскопических или мезоскопических приборов, основанных на управлении двумерными электронами на поверхности жидкого гелия. Около 15 лет назад было предсказано, что состояния электрона на поверхности квантовой жидкости – жидкого гелия – могут быть использованы для создания кубита, единицы квантовой информации. В лаборатории КФУ работают над тем, чтобы научиться эффективно управлять состояниями, положениями электронов на жидком гелии. Научным консультантом этой научной лаборатории стал наш давний научный партнер и друг, профессор всемирно признанного Японского научного центра – Института физических и химических исследований РИКЕН (RIKEN) Кимитоши Коно.

Практически всегда при решении любой  большой фундаментальной научной задачи, попутно решается ряд других, не менее важных и интересных часто неожиданных и для самих исследователей. Так произошло и в случае с исследованиями электронов на поверхности жидкого гелия - казанским ученым в сотрудничестве с коллегами из РИКЕНа и Национального Тянг Чунг университета (Тайвань) удалось создать своего рода «турникет» для электронов на поверхности гелия. 

- В Институте физики сейчас совместно с коллегами из нескольких стран развивается большая программа по транспортным свойствам электронов на поверхности гелия, - продолжает Дмитрий Альбертович. – Если говорить простым языком, то мы научились "загонять"  электроны в узкие каналы, которые создаем специальными электродами.

Поведение электронов в таких системах очень похоже на то, как себя ведут люди в толпе, когда подходят к турникету. Они, электроны, при определенных условиях выстраиваются в прямолинейные цепочки, и электрический ток «проходит» через слой поверхностных электронов строго по этим цепочкам. В экспериментах удалось наблюдать до 27 цепочек в одном канале шириной менее микрона.

– Кстати, итогом конференции стало принятие решения о том, что несколько ведущих институтов всего мира примут участие в этих исследованиях в рамках проведения программы конкурентоспособности КФУ - резюмировал Дмитрий Альбертович.

Часть программы научных исследований Центра квантовых технологий, выполняемая в Институте физики КФУ, включает в себя исследование новых материалов для квантовых технологий.

–  Исследования нацелены на создание новых материалов и устройств, обладающих совершенно необычными свойствами, обусловленными законами мира атомов и молекул, законами квантовой механики. Такие материалы принято называть «квантовыми материалами», или «материалами для квантовых технологий». Примеров таких материалов уже достаточно много – это и сверхпроводники, и активные кристаллы для лазеров и т.д. Сегодня большинство приборов, нас окружающих, работает на основе законов и явлений, известных нам из классической физики. В нашей лаборатории мы целенаправленно ищем новые материалы, свойства которых определяются квантовыми законами.

Еще одним направлением научных исследований стали материалы для сверхпроводимости при комнатной температуре.

- Представьте себе, что можно найти материал, который являлся бы проводником при комнатной температуре. А это значит, что не нужно ни жидкого гелия, ни жидкого азота, чтобы его охлаждать, и  появляется возможность  свободного прохождения тока. Задачу поиска сверхпроводников при комнатной температуре планируется решать в сотрудничестве с одним из ведущих российских теоретиков, долгие годы работающим в Финляндии, профессором Григорием Воловиком (университет Аалто, Хельсинки), который стал научным консультантом лаборатории "Новые материалы для квантовых технологий". Надеемся, что наши исследования могут найти большую область применения как в фундаментальных, так и в прикладных задачах, - резюмировал  Дмитрий Альбертович.

Справка

Начало сотрудничеству между Казанским университетом и РИКЕН положил визит профессора КФУ Д.А.Таюрского в 2002 году в только что организованный Центр нанотехнологий РИКЕН и лабораторию физики низких температур (руководитель - профессор К.Коно), с которым Д.А.Таюрский имел давние научные контакты и на семинарах которого в Токийском университете не раз выступал. Начиная с этого времени контакты перешли на постоянную основу.

Логическим развитием отношений стало подписание в августе 2008 года Соглашения о программе совместной аспирантуры, руководителем которой с российской стороны является Д.А.Таюрский. В октябре 2010 года было подписано Соглашение о научном сотрудничестве между Институтом физики КФУ и Институтом передовых наук (Advance Science Institute), входящим в состав РИКЕН, а также соглашение об организации в Институте физики КФУ совместной лаборатории.

28 апреля 2011 года в Институте физики КФУ состоялась защита диссертации Александра Бадрутдинова - аспиранта Института физики КФУ и Института физических и химических исследований РИКЕН. Уникальность данного мероприятия заключалась в том, что после защиты диссертации молодой ученый получил сразу две ученые степени – российскую степень кандидата физико-математических наук и международную степень доктора философии (PhD) Института РИКЕН. В данный момент в РИКЕН находится еще один наш аспирант - Нияз Бейсенгулов.

2 мая 2012 года  во время визита делегации РИКЕН в Казань во главе с его президентом Рёдзи Нойри был открыт научно-лабораторный комплекс КФУ – РИКЕН, в состав которого вошли лаборатории фемтосекундной спектроскопии, физики сильно-коррелированных электронных систем и синтеза и анализа тонкопленочных систем.