Квантовые материалы и устройства

Квантовые материалы — это классы веществ, в которых квантовые эффекты существенно влияют на их физические свойства. В отличие от классических материалов, где поведение электронов можно описать приближённо как движение свободных частиц, в квантовых материалах проявляются явления, обусловленные взаимодействиями на уровне квантовой механики, такие как топологические свойства, коррелированные состояния и когерентность электронных волн.

Особенности квантовых материалов:

Наличие квантовых состояний с нелокальными и топологическими свойствами.
Подавление классических рассеяний и появление новых фаз вещества.
Сильное влияние взаимодействия электронов друг с другом и с решёткой.
Проявление эффектов квантовой интерференции и когерентности.

Поверхностные состояния и их роль в квантовых материалах

В квантовых материалах поверхность и тонкие пленки играют ключевую роль, поскольку именно на границе материала возникают уникальные квантовые состояния, которые не существуют в объёме.

Типы поверхностных состояний:

Поверхностные электронные состояния: Электроны, локализованные у поверхности, обладают энергиями и спектрами, отличающимися от объемных состояний.
Топологические поверхности: В топологических изоляторах и сверхпроводниках на поверхности возникают состояния, защищённые топологией, устойчивые к дефектам и возмущениям.
Дирaковские и Вейловские фермионы: Квазичастицы с линейным дисперсионным законом на поверхности топологических материалов.

Тонкие плёнки и их особенности в квантовых системах

Тонкие плёнки, как правило, имеют толщину от нескольких атомных слоев до нескольких десятков нанометров. При таких размерах квантовые эффекты начинают доминировать, кардинально меняя физические свойства по сравнению с объемным материалом.

Квантово-размерные эффекты в тонких плёнках:

Квантование энергии: Из-за ограничений движения в направлении толщины пленки образуются дискретные уровни энергии, что влияет на электронные, оптические и магнитные свойства.
Изменение электронной структуры: Перестройка зонной структуры и появление новых энергетических подзон.
Повышенная роль поверхности и интерфейсов: В тонких плёнках увеличивается доля атомов на поверхности, что меняет химические и физические свойства материала.

Методы исследования поверхностей и тонких пленок в квантовых материалах

Для изучения квантовых эффектов на поверхности и в тонких пленках применяют широкий спектр экспериментальных и теоретических методов:

Спектроскопия фотоэлектронов с разрешением по углу (ARPES): Позволяет изучать дисперсионные соотношения электронных состояний на поверхности.
Сканирующая туннельная микроскопия (STM): Обеспечивает картирование локальной плотности состояний с атомным разрешением.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS): Исследует химический состав и состояние элементов на поверхности.
Магнитные и оптические методы: Для изучения спиновых и когерентных свойств.
Квантово-механическое моделирование: Первый принцип и плотностно-функциональная теория (DFT) для расчёта электронной структуры.

Квантовые эффекты в поверхностях и тонких пленках

Квантовая интерференция и локализация

В тонких пленках и поверхностях квантовая интерференция волн электронов может приводить к эффектам слабой локализации и антислабой локализации. Эти явления проявляются в аномальном изменении электропроводности при изменении температуры и магнитного поля.

Спин–орбитальное взаимодействие и спиновые эффекты

За счёт сильного спин–орбитального взаимодействия на поверхности и в тонких плёнках возможно появление эффектов, связанных с управлением спином электрона:

Эффект Рашбы: Разделение спиновых подзон в электронной структуре, вызванное несимметрией структуры и сильным спин–орбитальным взаимодействием.
Спинтронные эффекты: Использование спина электронов для хранения и передачи информации в квантовых устройствах.

Топологические эффекты

Топологические материалы характеризуются наличием защищённых квантовых состояний на поверхности или границе. В тонких плёнках топологических изоляторов наблюдаются устойчивые к рассеянию электронные каналы, что открывает перспективы для создания низкоэнергетических электронных устройств.

Квантовые устройства на основе поверхностей и тонких пленок

Использование квантовых эффектов в поверхностях и тонких пленках даёт возможность создавать новые типы устройств с уникальными свойствами.

Тонкоплёночные транзисторы и полевые эффекты

Использование квантованного изменения плотности состояний в тонких плёнках для управления током.
Возможности в области низковольтной электроники и спинтроники.

Квантовые точки и квантовые ямы

Локализация носителей в тонких слоях или в гетероструктурах создаёт дискретные уровни энергии.
Использование в лазерах, фотодетекторах и квантовых вычислениях.

Сверхпроводящие квантовые устройства

Тонкие пленки сверхпроводников используются в квантовых битах (кубитах) для квантовых компьютеров.
Манипуляции с квантовой когерентностью и создание топологических квантовых состояний.

Перспективы и вызовы в исследовании квантовых материалов

Управление качеством поверхностей и интерфейсов на атомарном уровне.
Разработка методов создания плёнок с заданной толщиной и структурой.
Изучение взаимодействия квантовых состояний с окружающей средой и декогеренции.
Внедрение квантовых материалов в технологические процессы микроэлектроники и спинтроники.

Данный обзор подчёркивает важность и разнообразие квантовых эффектов, проявляющихся на поверхности и в тонких плёнках материалов, а также их применение в современной физике и технологиях.