Экзотический класс материалов спинтроники найден с помощью суперкомпьютера

Эксперты по 2D-материалам и топологическим фазам вещества из Массачусетского технологического института (MIT) использовали суперкомпьютеры Stampede и Lonestar Техасского центра продвинутых вычислений для расчета электронных структур нового класса материалов с крайне полезными свойствами. Эти, практически двумерные материалы при комнатной температуре являются топологическими изоляторами с квантовым эффектом Холла — на их поверхности электроны с разными спинами всегда текут в противоположных направлениях.

В журнале Science, где были опубликованы полученные результаты, авторы указывают на возможность создания из этих 2D-материалов (дихалькогенидов переходных металлов, DHTM) электронного устройств нового типа.

Концепция топологического полевого транзистора проиллюстрирована на рисунке. DHTM находится между слоями нитрида бора. Приложение электрического поля переключает квантовое состояние (топологическую фазу) в прямоугольных зонах среднего слоя, причем края переключенных областей действуют как идеальные квантовые проводники и могут использоваться для соединения с другими электронными устройствами.

Все расчеты выполнялись в XSEDE (Extreme Science and Engineering Discovery Environment), единой виртуальной среде интерактивного распределения вычислительных ресурсов, данных и опыта, финансируемой Министерством энергетики США и Национальным научным фондом (NSF).

Для моделирования ячейки кристаллической решетки DHTM использовался пакет Vienna Ab initio Simulation Package. Сама модель состояла всего из нескольких атомов, основная же сложность состояла в возможно более точном прогнозировании структуры запрещенной зоны носителей заряда в возбужденном состоянии и в присутствии спиновой связи.

Для того, чтобы добиться требуемой сходимости результатов, ученым приходилось на протяжении суток использовать 96 и более ядер суперкомпьютера. Ресурсы Stampede позволили им включить в рассмотрение несколько материалов и различные условия.

«Квантовые компьютеры, как приложение, нами пока детально не рассматривались, — пишут авторы статьи. — Но эти материалы вполне возможно скомбинировать со сверхпроводниками и получить так называемый фермион Майораны для квантовых вычислений».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365