Международная группа учёных создала сверхтонкие нанополоски толщиной в один атом из германия и исследовала их уникальные квантовые свойства. Результаты исследования открывают новые возможности для квантовых вычислений и энергоэффективной электроники.

Исследователи изучали, как меняются свойства двумерных топологических изоляторов при уменьшении их размеров. Такие материалы обладают уникальными характеристиками: они являются изоляторами внутри, но имеют высокопроводящие края, по которым электричество течёт без сопротивления.

«Пытаясь создать всё более компактные и эффективные устройства, мы столкнулись с важными вопросами, – объясняет один из исследователей Пантелис Бампулис. – Например, какой минимальный размер должен иметь топологический материал, чтобы сохранять свои двумерные свойства? И что происходит при дальнейшем уменьшении?»

Для ответа на эти вопросы учёные создали нанополоски из атомарно тонкого слоя атомов германия. «Мы изготовили структуры шириной всего несколько нанометров, но длиной в сотни нанометров, – рассказывает первый автор исследования Деннис Клаассен. – Теоретически и экспериментально мы изучили, как меняются топологические краевые состояния при уменьшении ширины полосок».

Исследователи обнаружили, что нанополоски сохраняют свои топологические краевые состояния до критической ширины около двух нанометров. При меньшей ширине происходит трансформация: краевые состояния исчезают, а вместо них появляются новые квантовые состояния на концах нанополосок. Эти конечные состояния защищены фундаментальными симметриями и указывают на появление одномерного топологического изолятора.

Важно, что обнаруженные конечные состояния очень устойчивы к дефектам и локальным примесям, что делает их идеальными для применения в квантовых технологиях, например, при разработке устойчивых к ошибкам кубитов.

«Интересно, что эти состояния похожи на Майораны – неуловимые частицы, которые занимали умы физиков с момента их теоретического предсказания, – отмечает Бампулис. – Хотя мы не исследовали непосредственно майорановские моды, наша работа предоставляет шаблон для изучения подобных явлений в одномерном материале с сильным спин-орбитальным взаимодействием».

Разработанная технология также позволяет создавать плотные массивы топологических краевых состояний, где ток может протекать без рассеяния, что является важным требованием для энергоэффективной электроники будущего.