Фізики вперше змогли зупинити електричний струм у почесному шару за рахунок «зчеплення» електронів і дірок у сусідніх шарах, отримавши таким чином перший почесний топологічний ексітонний ізолятор. Такі пристрої можуть бути використані для захисту станів кубітів в квантових комп'ютерах від декогеренції, пишуть вчені в статті, опублікованій в.
В ексітонних ізоляторах придушення електричного струму відбувається через спонтанне утворення екситонів - пов'язаних електрон-дирочних пар (детальніше про екситони та інші квазічастинки ви можете прочитати в нашому матеріалі). Теоретично можливість існування таких матеріалів була передбачена ще на початку 60-х років XX століття. Стан ексітонного ізолятора зазвичай реалізується в півметалах, в яких зона провідності і валентна зона стикаються, або дуже незначно перекриваються (одним з прикладів півметалів є, наприклад, графен) через кулонівські взаємодії між діркою і електроном. Однак, незважаючи на те, що ексітонні ізолятори добре описані теоретично, в почесних матеріалах експериментально такі фази не вивчалися.
Група фізиків з США і Китаю під керівництвом Жуй-Жуй Ду (Rui-Rui Du) з Університету Райса вперше вивчила появу стану топологічного ексітонного ізолятора в почесних матеріалах. Для цього вони досліджували двошарову систему, що складається з арсеніда індія і антимоніда галію (InAs/GaSb), отриману за допомогою молекулярно-променевої епітаксії. В одному з цих шарів носіями заряду є електрони, а в іншому - дірки. Товщина кожного з шарів не перевищує 12,5 нанометрів, тому для носіїв заряду ці шари служать квантовими ямами, і їх поширення обмежене двома вимірами.
Виявилося, що в такій системі залежно від концентрації носіїв заряду і температури можливе утворення чотирьох можливих станів. При великих температурах і великих концентраціях електрони і дірки не пов'язані між собою, і одні вільно рухаються в своєму шарі, а інші - в своєму, формуючи фазу електронно-дирочної плазми. У разі зовсім низьких концентрацій електрони і дірки утворюють стійкі ексітонні пари, формуючи залежно від температури або фазу бозе-ейнштейновського конденсату, або фазу ексітонного газу, де ексітони можуть вільно переміщатися по матеріалу. А при проміжних концентраціях носіїв заряду (в даному випадку близько 1010 - 1011 електронів або дірок на квадратний сантиметр) утворюється якраз фаза ексітонного ізолятора - стан, коли взаємодія між електронами і дірками не дає їм вільно переміщатися незалежно один від одного, але при цьому і не утворюється пов'язаних ексітонів.
Формування цієї фази відбувається при зниженні температури нижче критичного значення (приблизно _ 263 градуси Цельсія) через утворення надплинної квантової рідини з ексітонів, що не дає струму проходити через такий матеріал. Зв'язування електронів і дірок при цьому аналогічно процесу, що відбувається при охолодженні надпровідника і утворення куперівських пар, тільки в даному випадку пари утворюють не два електрони, а електрон і дірка. За допомогою терагерцевої спектроскопії при різних значеннях магнітного поля і температури автори роботи кількісно довели формування стану ексітонного ізолятора. Більше того, за характером транспорту носіїв заряду вдалося показати, що такий стан у цих матеріалах топологічно захищено.
За словами вчених, додатковий контроль стану ексітонів можна забезпечити за рахунок введення в структуру додаткового шару (наприклад, змішаного антимоніда галію і алюмінію AlGaSb), розташованого між шарами з дірочною та електронною провідністю.
Автори роботи стверджують, що такий пристрій може бути використаний як елемент топологічного квантового комп'ютера, в якому інформація зберігається і передається за допомогою топологічно пов'язаних квантових частинок. Цей топологічний захист дозволить кубітам у квантовому комп'ютері не втрачати когерентність при зовнішніх впливах.
Статки, аналогічні куперівським електронним парам у надпровідниках, можуть утворювати не тільки ексітони, але і, наприклад, фотони при комбінаційному розсіянні. Це відбувається при одночасному зміщенні частоти двох фотонів у протилежному напрямку, в результаті чого між ними відбувається «обмін» віртуальною квазічастинкою, що і призводить до їх зв'язування.