Благодаря нынешним нобелевским лауреатам мир впервые увидел переход из квантовой физики в классическую и познакомился с самыми пористыми материалами, способными вмещать колоссальные объемы газа
Нобелевская премия по физике присуждена американцам Джону Кларку и Джону Мартинису и французу Мишелю Деворе за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в сверхпроводящей электрической цепи. В переводе с языка физиков это означает невероятное: распространение эффектов квантового мира на мир обычный.
Ранее считалось, что только в квантовой физике, оперирующей масштабами менее одного нанометра — одной миллиардной доли метра, частицы, словно призраки, могут проходить сквозь стены; для классической же физики это представлялось полным безумием. Однако работы лауреатов показали, что все не совсем так. Проникновение сквозь непреодолимый барьер или, по-научному, квантовое туннелирование возможно не только на уровне элементарных частиц, атомов и молекул, но и на макроуровне — в виде управляемого макроскопического электрического тока во вполне реальной, видимой сверхпроводящей цепи. Это, конечно, не равно проникновению человека сквозь закрытую дверь, но уже кое-что более существенное, чем кванты.
Итак, в 1985 году в Калифорнийском университете в Беркли ученые собрали электрическую цепь из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолятором, — такую конструкцию называют джозефсоновским контактом. В этой системе ток должен был течь с нулевым сопротивлением, как идеальная река, — без трения и напряжения, но огромное количество заряженных частиц неожиданно начали вести себя синхронно, словно одна гигантская квантовая частица, просачиваясь через непроводящий барьер и передавая энергию порциями, как у атомов. Измеряя скачки напряжения в своей экспериментальной сети, Кларк, Деворе и Мартинис доказали, что схема может перейти в состояние с более высокой энергией за счет квантового туннелирования. Таким образом было описано принципиально новое фундаментальное явление — макроскопическое туннелирование. Тот факт, что квантовая механика может проявляться на таких больших масштабах, стал для мира физики полной неожиданностью.
«Со времени открытия квантовой механики вопрос о том, допустимо ли, например, квантовать привычные уравнения для расчета электрических цепей, содержащих макроскопическое число частиц (то есть делить электрический заряд, который в классической теории является непрерывной величиной, на дискретные порции — кванты. — “Монокль”), оставался спорным, находясь где-то в области одновременно живых и мертвых котов Шрёдингера, — отмечает Глеб Федоров, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. — Эксперимент Мишеля Деворе, Джона Мартиниса и Джона Кларка дал окончательный ответ: это возможно».
К настоящему времени описанный нобелиатами переход системы из макро- в микромир хорошо изучен и имеет четкое научное объяснение.
«Согласно квантовой механике, отдельная частица может преодолевать барьер за счет своих волновых свойств, то есть сквозь барьер проникает то, что называется волновой функцией частицы. В сверхпроводнике электроны объединяются в куперовские пары (связанное состояние электронов. — “Монокль”), и огромное количество этих пар начинает вести себя будто большая квантовая частица — имеет одну и ту же волновую функцию и движется по сверхпроводнику как единый квантовый объект, таким образом туннелируя сквозь барьер, — комментирует старший научный сотрудник Института физики полупроводников (ИФП) Сибирского отделения РАН Алексей Ненашев. — Это явление лауреаты исследовали для миллиардов связанных электронов в сверхпроводящей цепи. Они показали, что вся эта макроскопическая система может “перепрыгивать” из одного состояния в другое, словно единый квантовый объект. Такое поведение обусловлено макроскопической волновой функцией, описывающей этот гигантский “коллектив”. Получается, что исследователи сдвинули границу квантового мира в наш, макроскопический мир».
Старший преподаватель Новосибирского госуниверситета и старший научный сотрудник ИФП СО РАН Илья Бетеров добавляет, что данный физический механизм — перетекание измеримого управляемого тока через джозефсоновский переход — лежит в основе квантового превосходства: существуют задачи, которые можно решить только при помощи квантового компьютера, а самые значимые достижения в реализации вычислений связаны со сверхпроводящими платформами, которые сегодня являются локомотивами квантовых технологий.
Миллиарды связанных электронов в электрической цепи «перепрыгивают» из одного состояния в другое — словно единый квантовый объект. Это сдвигает границу микромира в наш, макроскопический мир
Подобные сверхпроводящие системы легли в основу наиболее развитых на сегодня квантовых процессоров от российских и китайских научных групп, Google, IBM и Microsoft.
Еще одно направление, где, по словам Ильи Бетерова, нашли применение результаты эксперимента нобелевских лауреатов, — создание приборов для магнитометрии, измерения сверхслабых магнитных полей. Они используются в биомедицине (магнитоэнцефалографии), геофизике, геологии, низкотемпературной термометрии.
В будущем открытие, подтверждающее связь квантовой и классической физики, вероятно, пригодится и в более массовых отраслях. Ученые полагают, что уже через пять–десять лет начнется коммерческое использование квантовых компьютеров. «Наверняка, как и в случае с классическими компьютерами, они найдут широкое применение в какой-нибудь неожиданной области. Вряд ли создатели классической ЭВМ, глядя на свою первую машину, могли представить, что когда-нибудь такие устройства появятся в каждом доме и дети станут играть на них в игры», — рассуждает научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) Илья Заливако.
Сегодня перспективы квантовых компьютеров связывают с созданием новых материалов и лекарств, решением задач по оптимизации (в сфере логистики и распределения нагрузки на электрические сети), развитием криптографии и фундаментальными научными исследованиями.
Лауреатами Нобелевской премии по химии стали японец Сусуму Китагава, австралиец Ричард Робсон и американец Омар Яги, создавшие особую формулу молекулярной архитектуры, с помощью которой удалось получить новые материалы с большими внутренними полостями — металл-органические каркасы (MOF). «Они похожи на сумочку Гермионы из “Гарри Поттера”: там в крошечном объеме помещалось бесконечное число вещей, а в нашем случае — огромное количество газа», — презентовал работы лауреатов председатель Нобелевского комитета Хайнер Линке.
В чем же состоит волшебство MOF? «У пористых материалов, как у губки, есть внутренняя поверхность. Если мы используем поверхность для размещения на ней других молекул, например газа, то MOF (на русском языке их принято называть металл-органическими координационными полимерами, МОКП) впитывают газ внутренней поверхностью. Причем количество поглощенного газа настолько велико, что, если бы поверхность была гладкой, ее площадь достигала бы 10 тысяч квадратных метров на грамм», — поясняет старший научный сотрудник лаборатории химии координационных соединений кафедры неорганической химии химического факультета МГУ Дмитрий Цымбаренко.
Концепция MOF была разработана Робсоном еще в 1980-х годах. Вдохновленный структурой кристаллов алмаза, где каждый атом углерода связывается с четырьмя другими атомами углерода, ученый вместе со своими коллегами из Мельбурнского университета создал материал, состоящий из пирамидальных модулей, в которых атомы меди связаны органическими молекулами.
В начале 1990-х Китагава предложил MOF, которые могли заполняться водой и были достаточно стабильными: позже их легко было высушить и заполнить газом.
Работа Яги позволила усовершенствовать химию сборки металл-органических каркасов: из пор MOF удавалось извлечь все молекулы растворителя, но структура оставалась пористой. Именно это свойство нового материала и заинтересовало химиков: в нем увидели возможности для хранения и разделения газов.
Сейчас, по словам Дмитрия Цымбаренко, металл-органические каркасы представляют собой большой класс веществ, состоящих из металл-содержащих блоков и органических молекул-соединителей, называемых линкерами. Блоки чаще всего построены из нескольких атомов металла (например, меди, цинка, алюминия, железа и т. д.), объединенных в тетраэдры, октаэдры или более сложные фигуры. Органические линкеры — это обычно геометрически жесткие молекулы, содержащие несколько активных групп, которыми они способны связываться с металл-содержащими блоками. В результате самосборки этих единиц получаются структуры, похожие на конструкции мостов и башен — жесткие, но пустотелые. И в этих пустотах могут размещаться различные молекулы.
«С точки зрения молекулярного строения MOF — яркий пример того, как химия раскрывает красоту математики, — комментирует научный сотрудник лаборатории строения металлоорганических и координационных соединений Института металлоорганической химии им. Г. А Разуваева Григорий Жигулин. — Соединение узлов, в роли которых выступают катионы металлов, и линкеров, то есть органических молекул, связывающих эти узлы, формирует определенную топологию каркаса в соответствии с законами симметрии. В ряде случаев каркасы могут даже проникать друг в друга, образуя упорядоченные переплетения. Топология и симметрия MOF во многом определяются размерами и геометрией органического линкера, а от металлического узла зависят функциональные свойства и химическая устойчивость MOF».
По словам Григория Жигулина, главное полезное свойство материала — регулируемый размер пор и невероятно большая площадь поверхности, что обеспечивает рекордные сорбционные показатели. Это позволяет использовать MOF для очистки, хранения и дальнейшей химической трансформации промышленно важных газов (углекислого газа, метана, ацетилена, водорода), а также для разделения сложных смесей, в том числе при утилизации ядерных отходов. MOF могут стать основой гетерогенных катализаторов, чувствительных сенсоров и полупроводников следующего поколения, материалов с высокой протонной проводимостью. Особые типы металл-органических каркасов востребованы как молекулярные магниты и фотомагнетики в новых типах носителей информации и квантовых компьютерах. Помимо этого MOF рассматриваются как перспективные материалы для поглощения электромагнитных волн.
Однако создание таких полимеров — процесс трудоемкий и дорогостоящий. «Хорошая работа — от синтеза, установления строения и до практического применения — требует привлечения специалистов из разных областей, — комментирует Дмитрий Цымбаренко. — Ученые, в том числе российские, занимаются исследованиями в основном в международных командах. Кроме того, в области МОКП есть ряд общих проблем: малопроизводительный синтез, дорогие исходные органические вещества, сложности с определением строения полученных материалов. В МГУ мы работаем над всеми этими проблемами. Например, для определения строения МОКП в сложных случаях используем метод полного рентгеновского рассеяния. Вообще, данный метод требует использования синхротрона (инструмента мегасайенс), мы же создали иную методику и программное обеспечение и получаем эти данные в лаборатории. Что касается синтеза, то мы заметили, что в автоклавах многие МОКП образуются случайно и их потом невозможно получить в больших количествах для практического применения. В итоге мы разработали приемы направленного синтеза таких каркасов и теперь можем собирать каркасы разного строения из одних и тех же составляющих».