圣彼得堡国立大学物理学家的发现能帮助建立拓扑量子计算机和暗物质探测器
圣彼得堡国立大学物理学家参与的国际科学团队发现了一类新的材料，它既是反铁磁体，又是拓扑绝缘体。由研究人员合成的单晶体MnBi2Te4可以应用于制作超速存储元件、自旋电子设备、量子计算机和暗物质探测器。研究结果在《自然》杂志上发表。
由巴斯克大学教授叶夫根尼·楚尔科夫领导的圣彼得堡国立大学纳米系统电子和自旋结构实验室的科学家们指出，他们对这一结果进行了几年的研究。带有特殊属性的单晶体一开始只是在理论上存在，之后他们在德累斯顿工业大学和阿塞拜疆国立石油工业大学的实验室环境中成功地进行了合成。这种新材料同时具备反铁磁体和拓扑绝缘体的属性。
铁磁体中所有原子的磁矩都是同向的，它们组成材料中的宏观磁场。用这种材料可以做成电脑的硬盘。而在反铁磁体中所有都是相反的：原子磁矩是反向的，因此它们不能组成外部磁场，而外部磁场对于电子元件有着负面影响。也许在将来可以用反铁磁体制作存储装置：与铁磁体不同，这种存储装置彼此之间放得再近再多也没有关系，这样它们就能提升计算机的功率。此外，反铁磁体的共振频率不是千兆赫级，而是太赫兹级，这就意味着基于反铁磁体的设备比传统设备的运行速度快1000倍。另外，基于新材料MnBi2Te4反铁磁体存储元件的样品不久前运用于了一项科学工作中。
另一方面，单晶体还是一种拓扑绝缘体的特殊材料，其表面的电子与单晶体内的电子表现得完全不一样：外部是很薄的导电层，而内部则是半导体。这种形成狄拉克锥的独特的表面电子就是在圣彼得堡国立大学实验室中进行测量的。就算这种材料的表面受到破坏，它也不会丧失其属性，其拓扑性是受到保护的。这一属性能用于量子计算机的研制：如今制造这种计算的主要难题之一就与量子比特（信息储存单位）会受到退相干有关，也就是说根据量子世界的规律，量子比特会随着时间而受到破坏。但是如果在拓扑绝缘体上制作量子比特，那么这一问题在理论上是可以避免的。
“这种单晶体有趣的地方还在于，它为研究人员揭示了一个全新类别的物质”，实验室副主任亚历山大·施金教授说道，“如果在反铁磁性上关联的薄膜被拓扑绝缘体拆分，我们就能形成材料的独特磁特性，并逐渐从反铁磁性转变为二位铁磁性。这是一种带有新属性的全新系统，在严格意义上来说这是前所未有的发现”。
物理学家们在这些单晶体中成功发现了量子反常霍尔效应。在固体物理学中，传统的霍尔效应是指，如果对磁场中的材料施加外部电压，将会出现垂直于该电压的电流。这一现象应用于智能手机的磁强计和内燃机电子点火系统中。此外还存在量子霍尔效应，但是此前从未在磁壳正确排序的系统中，比如MnBi2Te4单晶体中发现量子反常霍尔效应。由于在这种情况下不需要施加外磁场就能实现这种效应，所以这一新材料对于制造不同的电子设备有着很好的前景。比如，在另一项科研工作中已经使用了基于MnBi2Te4材料的拓扑自旋晶体管模型。
研究人员还提到，所获得的单晶体可以推动基本粒子物理学的发展：拓扑绝缘体有可能帮助通过实验发现马约拉纳费米子，这是一种特殊的粒子，同时又是一种反粒子。早在20世纪30年代，意大利物理学家埃托尔·马约拉纳就提出了这种假说，但直到今天都还未曾发现过费米子。根据理论研究，马约拉纳费米子可能以准粒子的形式存在于拓扑绝缘体中。顺便一提的是，这种例子由于其自身的拓扑保护性而可以成为量子计算机中库比特的绝佳“扮演者”。
“另外一个有趣的事例是理论工作，这项工作说明，在我们材料的基础上可以制作暗物质探测器”，实验室助理、物理数学副博士伊利亚·克里莫夫斯基赫讲述道，“由于该材料是磁性拓扑绝缘体，因此可以在其中确定轴子绝缘体相位，在此基础上可以制作特定波段的暗物质探测器，这也是目前世上没有的。这是非常让人意外的，但这些工作可能出现，因为材料的属性是全新的且独一无二的”。
在圣彼得堡国立大学，科学家们对新型单晶体的磁特性及其光电波普进行了测量，这一过程中使用了圣彼得堡国立大学科技园资源中心表面研究物理学方法中心和医药与微电子功能材料诊断中心的设备。有趣的是，学术文章的未定稿版本在发表前都是公开的，且被引用了60多次。在这篇由圣彼得堡国立大学教授弗拉基米尔·楚尔科夫指导的学术合著中共有来自世界上22个研究机构的参与。
“在浓缩材料领域内，一篇文章中有这么多的单位参与，也是非常特别的。然而，在当代科学中，要有效解决有关固体物质的复杂问题，就需要联合各方面高水平专家的力量，其中包括理论家、化学家、物理学家和材料学家。这一趋势在未来将会进一步加强”，叶夫根尼·楚尔科夫指出。
该研究由圣彼得堡国立大学项目经费（ID 40990069）、俄罗斯科学基金（№18-12-00062）、俄罗斯基础研究基金（№18-52-06009）以及其他科学机构的资金支持。