Рис. 1. Ожидаемое заполнение дискретных энергетических уровней короткой нанотрубки электронами (стрелки указывают направления электронных спинов).

Даже при близкой к абсолютному нулю температуре большинство электронов в твердом теле имеют очень большую кинетическую энергию. Это связано с тем, что электроны, будучи фермионами, подчиняются статистике Ферми-Дирака и поэтому не конденсируются на одном уровне с минимальной энергией, а в соответствии с принципом Паули попарно (“спин вверх”, “спин вниз”) занимают много энергетических уровней вплоть до уровня Ферми E_F ~ 1 эВ. При большой концентрации электронов их средняя кинетическая энергия значительно превышает среднюю энергию межэлектронного взаимодействия, и именно она определяет электронное строение твердых тел. Однако при низкой концентрации электронов основную роль начинает играть кулоновское отталкивание между ними. В 1934г. Вигнер показал, что электроны при этом образуют упорядоченное состояние – так называемый вигнеровский кристалл, в котором каждый электрон локализован в окрестности определенной точки пространства. Этот “электронный кристалл” формируется спонтанно, и его структура не зависит от расположения положительных ионов в “атомном кристалле”. Для образования вигнеровского кристалла требуется исключительно чистая, с минимальным количеством дефектов система. До настоящего времени экспериментально он наблюдался только на поверхности жидкого гелия (двумерный вигнеровский кристалл).

Рис. 2. Одномерный вигнеровский кристалл в углеродной нанотрубке (все электроны поляризованы по спину).

Недавно в Калифорнийском технологическом институте в ходе работ по исследованию бездефектных углеродных нанотрубок был обнаружен удивительный эффект: при добавлении в нанотрубку нескольких (в пределах 10) электронов все они имели одинаковое направление спина, вопреки ожидаемой картине заполнения энергетических уровней электронами с противоположно направленными спинами (рис. 1). Выполненный американскими исследователями анализ показал, что причиной этого является формирование в нанотрубке одномерного вигнеровского кристалла, причем не обычного, а спин-поляризованного (рис. 2). Расстояние между электронами в таком кристалле составляет около 100 нм – достаточно много, чтобы попытаться организовать операции со спинами отдельных электронов путем воздействия на них внешними управляющими сигналами. Пока не ясно, выживет ли вигнеровский кристалл в результате такого воздействия. Если да, то его можно будет использовать в качестве регистра для хранения спиновых кубитов и операций с ними.

Источник информации - заметка Л.Опенова в бюллетене ПерсТ, выпуск 9 за 2008 г.