پیشرفت در تحقیقات کوانتومی راه را برای نسل جدید الکترونیک نور محور هموار می‌کند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، جعبه ابزار جدید برای فیزیک حالت جامد در جستجوی مواد جدید برای فناوری‌های کوانتومی آینده، یکی از حوزه‌هایی که دانشمندان از Cluster of Excellence ct.qmat - پیچیدگی و توپولوژی در ماده کوانتومی - در دو دانشگاه وورزبورگ و درسدن روی آن تمرکز کرده‌اند، عایق‌های توپولوژیکی است که بدون تلفات را ممکن می‌سازد. هدایت جریان الکتریکی و ذخیره سازی قوی اطلاعات اولین تحقق تجربی این کلاس مواد در سال ۲۰۰۷ در وورزبورگ انجام شد و باعث رونق تحقیقاتی جهانی در فیزیک حالت جامد شد که تا به امروز ادامه دارد.

مفاهیم قبلی برای استفاده از عایق‌های توپولوژیکی مبتنی بر استفاده از ولتاژ‌های الکتریکی به منظور کنترل جریان است - رویکردی که از تراشه‌های کامپیوتری معمولی اتخاذ شده است. با این حال، اگر خواص مواد عجیب و غریب بر اساس ذرات خنثی الکتریکی باشد (که نه مثبت و نه بار منفی دارند)، ولتاژ الکتریکی دیگر کار نمی‌کند. بنابراین، چنین پدیده‌های کوانتومی اگر اصلاً تولید شوند به ابزار‌های دیگری نیاز دارند - به عنوان مثال، نور.

اپتیک و الکترونیک توسط یک پدیده کوانتومی به هم مرتبط هستند

یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به سرپرستی پروفسور رالف کلاسن، فیزیکدان کوانتومی از وورزبورگ و سخنگوی ct.qmat، اکنون به کشف مهمی دست یافته است.

برای اولین بار، ما توانستیم شبه ذرات موسوم به اکسیتون را در یک عایق توپولوژیکی تولید و به صورت تجربی تشخیص دهیم؛ بنابراین ما یک ابزار جدید برای فیزیک حالت جامد ایجاد کرده ایم که می‌تواند برای کنترل نوری الکترون‌ها استفاده شود. همانطور که کلاسن تأکید می‌کند: این اصل می‌تواند پایه‌ای برای نوع جدیدی از قطعات الکترونیکی باشد.

اکسایتون‌ها شبه ذرات الکترونیکی هستند. اگرچه به نظر می‌رسد که آن‌ها مانند ذرات مستقل رفتار می‌کنند، اما در واقع یک حالت الکترونیکی برانگیخته را نشان می‌دهند که فقط در انواع خاصی از ماده کوانتومی می‌تواند تولید شود. Claessen توضیح می‌دهد: ما با اعمال یک پالس نوری کوتاه بر روی یک لایه نازک متشکل از تنها یک لایه اتم، اکسیتون‌ها را ایجاد کردیم.

او می‌گوید آنچه در این مورد غیرمعمول است این است که اکسیتون‌ها در یک عایق توپولوژیک فعال می‌شوند – چیزی که قبلاً امکان‌پذیر نبود. Claessen می‌افزاید: این یک خط کاملاً جدید از تحقیقات را برای عایق‌های توپولوژیکی باز کرده است.

سه اکسیتون (جفت متشکل از یک الکترون و یک سوراخ الکترونی) روی بیسموتن عایق توپولوژیکی. به دلیل ساختار اتمی لانه زنبوری، الکترون‌ها فقط می‌توانند در امتداد لبه‌ها جریان داشته باشند. منبع: پاول هولوا

حدود ده سال است که اکسایتون‌ها در سایر نیمه‌رسانا‌های دو بعدی مورد بررسی قرار گرفته‌اند و به‌عنوان حامل اطلاعات برای اجزای نور محور در نظر گرفته می‌شوند. برای اولین بار، ما موفق به تحریک نوری اکسیتون‌ها در یک عایق توپولوژیکی شده ایم. برهم کنش بین نور و اکسیتون‌ها به این معنی است که می‌توانیم در چنین موادی انتظار پدیده‌های جدیدی را داشته باشیم. این اصل را می‌توان به عنوان مثال برای تولید کیوبیت استفاده کرد.

کیوبیت‌ها واحد‌های محاسباتی تراشه‌های کوانتومی هستند. آن‌ها بسیار برتر از بیت‌های سنتی هستند و اجازه می‌دهند تا وظایفی را که ابررایانه‌های معمولی سال‌ها طول می‌کشد را در عرض چند دقیقه حل کنند. استفاده از نور به جای ولتاژ الکتریکی، تراشه‌های کوانتومی را قادر می‌سازد تا سرعت پردازش بسیار بالاتری داشته باشند. بنابراین، جدیدترین یافته‌ها راه را برای فناوری‌های کوانتومی آینده و نسل جدیدی از دستگاه‌های نور محور در میکروالکترونیک هموار می‌کند.

تخصص جهانی از وورزبورگ

ماده اولیه مناسب بسیار مهم است - در این مورد بیسموتن. کلاسن که پنج سال پیش برای اولین بار عایق توپولوژیکی را در آزمایشگاه طراحی کرد، می‌گوید: این برادر سنگین گرافن ماده معجزه‌آسا است. او می‌افزاید: ما رهبران جهانی در این زمینه هستیم. با توجه به طراحی مواد پیچیده ما، اتم‌های تک لایه بیسموتن در یک الگوی لانه زنبوری قرار گرفته اند، درست مانند گرافن.

تفاوت این است که اتم‌های سنگین بیسموتن آن را به یک عایق توپولوژیکی تبدیل می‌کند، به این معنی که می‌تواند الکتریسیته را در امتداد لبه بدون از دست دادن - حتی در دمای اتاق - هدایت کند. این را نمی‌توان با گرافن انجام داد.

پتانسیل عظیم

اکنون که تیم تحقیقاتی برای اولین بار اکسیتون‌ها را در یک عایق توپولوژیکی تولید کرده است، توجه به خود شبه ذرات معطوف شده است. دانشمندان در ct.qmat در حال بررسی این هستند که آیا خواص توپولوژیکی بیسموتن به اکسایتون‌ها منتقل می‌شود یا خیر. اثبات علمی این امر نقطه عطف بعدی است که محققان به آن توجه دارند. حتی راه را برای ساخت کیوبیت‌های توپولوژیکی هموار می‌کند، که در مقایسه با همتایان غیر توپولوژیکی خود بسیار قوی در نظر گرفته می‌شوند.

همکاری بین المللی

این یافته‌ها حاصل همکاری نزدیک دانشمندان بولونیا، وروتسواو، نیویورک، اولدنبورگ و وورزبورگ است. نمونه‌های ماده دو بعدی بیسموتن در JMU Würzburg تولید شد.