Центр квантовых материалов

Центр квантовых материалов — это научно-исследовательское подразделение, специализирующееся на фундаментальных и прикладных исследованиях в области физики конденсированного состояния, квантовой физики и материаловедения. Основной задачей центра является создание, изучение и характеризация новых материалов, обладающих уникальными квантовыми свойствами, такими как сверхпроводимость, топологические эффекты, квантовые фазовые переходы и магнетизм. Такие центры обычно объединяют теоретиков, экспериментаторов и технологов для разработки материалов для квантовых компьютеров, сенсоров и энергоэффективной электроники.

История

Концепция специализированных центров квантовых материалов возникла в начале XXI века на фоне бурного развития квантовой физики и нанотехнологий. В 2010-х годах многие ведущие университеты и национальные лаборатории мира начали создавать междисциплинарные структуры, ориентированные на синтез и изучение материалов с нетривиальными квантовыми состояниями. В России одним из первых таких центров стал Центр квантовых материалов (ЦКМ), основанный в 2017 году на базе Московского физико-технического института (МФТИ) в рамках программы «5-100» и при поддержке Российского научного фонда. Позднее аналогичные подразделения появились в Санкт-Петербургском государственном университете, Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» и других вузах.

Структура и направления деятельности

Центры квантовых материалов, как правило, имеют модульную структуру, включающую несколько лабораторий, каждая из которых занимается определённым классом материалов или методов исследования.

Основные направления

• Сверхпроводящие материалы: синтез и изучение высокотемпературных сверхпроводников, в том числе на основе железа, купратов и гидридов под высоким давлением.
• Топологические материалы: поиск и характеризация топологических изоляторов, полуметаллов Вейля и Дирака, а также топологических сверхпроводников.
• Квантовые магнетики: исследование спиновых жидкостей, фрустрированных магнетиков и мультиферроиков.
• Двумерные материалы: графен, дихалькогениды переходных металлов, гексагональный нитрид бора и их гетероструктуры.
• Методы синтеза: выращивание монокристаллов, эпитаксиальные технологии, синтез под высоким давлением и химическое осаждение из газовой фазы.

Экспериментальная база

Современные центры оснащены дорогостоящим оборудованием:

• Установки для измерения транспортных свойств (электропроводность, теплопроводность, эффект Холла) в диапазоне температур от 0,3 К до 1000 К.
• Сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) и атомно-силовые микроскопы (АСМ) для визуализации атомной структуры.
• Спектрометры для фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) и рамановской спектроскопии.
• Магнитные измерительные системы (SQUID-магнитометры, вибрационные магнитометры).
• Криогенные системы (рефрижераторы растворения, криостаты с жидким гелием).

Ключевые достижения

Российские центры

Центр квантовых материалов МФТИ (ЦКМ МФТИ) известен рядом значимых результатов:

• В 2019 году учёные центра в сотрудничестве с коллегами из Института физики высоких давлений РАН впервые синтезировали сверхпроводящий гидрид лантана (LaH₁₀) с критической температурой около 250 К при давлении 170 ГПа, что приближается к комнатной температуре.
• В 2021 году была обнаружена топологическая сверхпроводимость в соединении Sr₂RuO₄, что открыло перспективы для создания топологических кубитов.
• Разработаны методы синтеза высококачественных монокристаллов дихалькогенидов переходных металлов (например, MoS₂, WSe₂) для изучения экситонных и поляритонных эффектов.

Международные центры

• Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (Германия): исследование ультрабыстрых квантовых процессов с использованием рентгеновских лазеров.
• Center for Quantum Materials (США), Университет Райса: изучение квантовой критичности и необычных фаз в тяжёлофермионных системах.
• RIKEN Center for Emergent Matter Science (Япония): разработка новых топологических материалов и квантовых симуляторов.

Применение результатов

Исследования, проводимые в центрах квантовых материалов, имеют как фундаментальное, так и прикладное значение:

• Квантовые вычисления: создание сверхпроводящих кубитов и топологических кубитов, устойчивых к декогеренции.
• Сенсорика: разработка сверхчувствительных датчиков магнитного поля (SQUID) и детекторов одиночных фотонов на основе сверхпроводников.
• Энергетика: создание сверхпроводящих материалов для линий электропередач без потерь и мощных магнитов для термоядерных реакторов.
• Электроника: разработка транзисторов на основе двумерных материалов и топологических изоляторов для энергоэффективных устройств.

Критика и вызовы

Несмотря на впечатляющие успехи, область квантовых материалов сталкивается с рядом проблем:

• Воспроизводимость результатов: многие эксперименты, особенно в области высокотемпературной сверхпроводимости, трудно повторить в независимых лабораториях.
• Технологические ограничения: синтез материалов с заданными свойствами часто требует экстремальных условий (высокое давление, низкие температуры), что затрудняет масштабирование.
• Финансирование: создание и содержание современной экспериментальной базы требует значительных средств, что ограничивает возможности небольших центров.
• Теоретические трудности: отсутствие полной теории высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых фазовых переходов затрудняет целенаправленный поиск новых материалов.

Перспективы

Ожидается, что в ближайшие десятилетия центры квантовых материалов будут играть ключевую роль в реализации квантовых технологий. В России, в частности, в рамках национального проекта «Квантовые технологии» (до 2030 года) планируется создание нескольких новых центров, а также модернизация существующих. Основные направления — разработка материалов для сверхпроводящих кубитов, топологических квантовых компьютеров и квантовых сенсоров.

Источники

• Официальный сайт Центра квантовых материалов МФТИ
• Доклады Российского научного фонда по проектам в области квантовых материалов (2017–2023)
• Статья «Сверхпроводимость в гидридах лантана» (Nature, 2019)
• Обзор «Топологические материалы: от теории к эксперименту» (Успехи физических наук, 2020)
• Материалы конференции «Квантовые материалы: синтез, свойства, применение» (МФТИ, 2022)