Модернизация передового источника синхротронного излучения в США расширит возможности исследований квантовых материалов на наноуровне

Передовой источник света (ALS) в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) повышает возможности исследований квантовых материалов в рамках программы модернизации. Будучи пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики США, ALS на протяжении более 30 лет поддерживает исследователей со всего мира в изучении квантовых материалов, таких как сверхпроводники, топологические изоляторы и материалы с коррелированными электронами, опираясь на экспериментальные возможности синхротронного мягкого рентгеновского излучения, ультрафиолетового света и полного спектра рентгеновских лучей.

Аспиранты Калифорнийского университета в Сан-Диего Вэй «Фрэнсис» Хэ (первый слева), Кейт Мэтьюз (вторая справа) и Робин Глафке (первая справа) из исследовательской группы Алекса Франьо на линии COSMIC (7.0.1) передового источника света (ALS). Они сотрудничают с учеными ALS Суджоем Роем (в центре) и Софи Моли (вторая слева) в изучении свойств квантового материала, имеющего важное значение для нейроморфных систем. (Фото: Робинсон Кунц/Лаборатория Беркли)

Квантовые материалы характеризуются сильными электронными взаимодействиями и могут проявлять сверхпроводимость, особые магнитные свойства и другие коллективные явления, которые трудно объяснить в рамках традиционных теорий. Считается, что они тесно связаны с развитием электронных устройств следующего поколения, информационных технологий и квантовых вычислений. Существующие установки ALS, включая фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), уже используются для анализа энергии, импульса и спина электронов в материалах, помогая исследователям изучать механизмы формирования высокотемпературных сверхпроводников, сверхпроводящих топологических изоляторов и новых квантовых материалов.

В рамках соответствующих исследований команда Массачусетского технологического института использовала прибор MAESTRO ARPES на ALS для измерения скорости электронов, связанной со сверхпроводимостью, в металлах Кагоме. Исследователи из Университета Райса также использовали технологию ARPES с разрешением по спину на ALS для изучения энергии, импульса и спиновых характеристик электронов в кристаллических соединениях индия, тантала и серы, исследуя их потенциальное применение в спинтронике и материалах для квантовых вычислений.

Согласно плану модернизации, ALS-U позволит получать рентгеновские пучки с более высокой яркостью и когерентностью, что даст исследователям возможность наблюдать дефекты и поведение электронных фаз в квантовых материалах на более малых масштабах. После модернизации рентгеновские пучки смогут фокусироваться до масштаба менее 25 нанометров; дальнейшая предполагаемая технология «ультрасовременной нано-ARPES» позволит продвинуть исследовательские цели до уровня отдельных дефектов для анализа ключевых микроструктур в таких материалах, как сверхпроводящие кубиты и необычные металлы.

Помимо ARPES, ALS также играет роль в исследованиях когерентного мягкого рентгеновского рассеяния. Используемый в настоящее время прибор COSMIC в будущем будет заменен новым инструментом FLEXON, запланированным к строительству. FLEXON будет включать такие возможности, как рентгеновская фотонная корреляционная спектроскопия (XPCS) и когерентная рентгеновская рефлектометрическая микроскопия, которые могут использоваться для изучения флуктуаций и распределения заряда и спина в квантовых материалах в нанометровом масштабе и наносекундном временном диапазоне.

Соответствующие исследователи отмечают, что более яркие и когерентные пучки помогут наблюдать, как дефекты кубитов влияют на когерентность, а также будут способствовать исследованиям материалов для нейроморфных вычислений. Нейроморфные вычисления стремятся имитировать способ обработки информации нейронными сетями мозга, используя электронные свойства материалов для достижения более эффективных и энергосберегающих вычислений. После модернизации ALS исследователи смогут отслеживать процессы взаимодействия коррелированных электронов в нанометровом масштабе, обеспечивая более точную экспериментальную поддержку для исследований в области квантовых вычислений, электроники следующего поколения и аппаратного обеспечения, связанного с искусственным интеллектом.