Лаборатория Баландина/Университет Калифорнии в Лос-Анджелесе
Микроскопическое изображение прототипа сверхмалошумного устройства, изготовленного из нанопроволоки на основе тантала с несколькими металлическими электродами. Масштабная линейка — 1 микрометр.
Команда под руководством UCLA продемонстрировала парадоксальное квантовое явление, при котором электронный шум уменьшается, а не остается постоянным при увеличении электрического тока — открытие, которое может способствовать развитию квантовых вычислений и сенсорных технологий. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications в конце декабря 2025 года и публично объявленное на этой неделе, показывает, что миниатюрные провода из соединений на основе тантала и ниобия могут проводить электричество с меньшим уровнем шума, чем позволяют обычные материалы.
Это открытие бросает вызов давно устоявшимся представлениям в электронике. В обычных проводниках уровень шума остается постоянным независимо от силы тока. Но в этих квази-одномерных нанопроводах электронный фликкер-шум — низкочастотная помеха, которая мешает работе датчиков и снижает производительность квантовых компьютеров — упал ниже теоретического предела для обычных электронов.
Электроны как «опытные сёрферы»
Это явление основано на волнах зарядовой плотности — квантовом состоянии, при котором электроны конденсируются в периодические структуры и движутся коллективно в синхронизации с фононами — атомными колебаниями, которые обычно рассеивают электроны и создают шум. Александр Баландин, ведущий автор исследования и обладатель именной кафедры Фан Лу в Инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, сравнил этот эффект с сёрфингом.
«Обычно мы считаем фононы плохими парнями, которые рассеивают электроны, — сказал Баландин. — В данном конкретном случае мы обнаружили, что фононы позволяют электронам двигаться совместно. Это странное, уникальное свойство в отношении шума может позволить нам улучшить соотношение сигнал-шум».
При обычной проводимости электроны ведут себя как новички-сёрферы, которых постоянно сбивают с курса волны. В квантовом режиме, проявляющемся в этих сильно коррелированных материалах, электроны становятся опытными сёрферами, плавно и коллективно скользящими по фононным волнам.
Работа при комнатной температуре открывает практические возможности
Команда изготовила нанопровода с атомными связями, прочными только в одном направлении, протестировав два соединения. В материале на основе тантала шум снижался по мере увеличения тока, пока не упал ниже измеримых пределов при температурах около -100 градусов по Фаренгейту. Материал на основе ниобия достиг аналогичного подавления шума при комнатной температуре и выше — критически важная веха для практических применений.
«Достижение такого снижения шума при комнатной температуре или около неё может значительно ослабить строгие требования к охлаждению, которые в настоящее время ограничивают архитектуры квантовых устройств», — отметили исследователи.
Последствия для квантовых вычислений и не только
Полученные результаты имеют широкие последствия. Электронный фликкер-шум ограничивает фазовую стабильность в системах связи, снижает чувствительность датчиков и ухудшает когерентность кубитов в квантовых компьютерах. Сверхнизкошумные проводники могут обеспечить более чувствительную биомедицинскую диагностику, датчики окружающей среды и более стабильные квантовые биты.
Баландин предполагает, что сильно коррелированные материалы в конечном итоге будут использоваться в качестве межсоединений в чипах, что потенциально изменит архитектуру схем по мере роста спроса на вычисления в области искусственного интеллекта.
«Всему хорошему приходит конец, — сказал он. — С учетом спроса на высокопроизводительные вычисления с высоким энергопотреблением для искусственного интеллекта, нам нужно обратить внимание на материалы, которые через 10 с лишним лет смогут дать нам альтернативный способ передачи электрических сигналов и их обработки».
Первый автор Субхаджит Гхош и его коллеги из Университета Джорджии, Польской академии наук и Калифорнийского университета в Риверсайде внесли вклад в это исследование, которое получило финансирование от Управления военно-морских исследований США и Европейского исследовательского совета.
Пресс‑релиз на сайте университета UCLA
Официальная издательская веб‑страница статьи в журнале Nature Communications с аннотацией, метаданными (doi: 10.1038/s41467-025-67567-x), рисункаии и т д
PMC (pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
Полный научный текст той же самой статьи, размещённый в открытом доступе в PubMed Central (там указаны те же название, авторы, doi, дата приёма и публикации).
Комментариев нет:
Отправить комментарий