Naukowcy z Penn State pracują nad zaawansowaną elektroniką wykorzystującą tak zwane stany załamania, które stanowią specjalne ścieżki elektronów w materiałach. Ścieżki te mogą pomóc w tworzeniu sieci informacji kwantowej, która jest niezbędna w elektronice nowej generacji. Źródło: SciTechDaily.com
Naukowcy z Penn State opracowują zaawansowaną elektronikę kwantową wykorzystującą stany załamania, czyli unikalne ścieżki elektronów w materiałach półprzewodnikowych.
Stany te mogłyby potencjalnie stanowić szkielet kwantowej sieci wzajemnych połączeń, kluczowej dla wydajnego przesyłania informacji kwantowych. Zespół poczynił znaczne postępy w kontrolowaniu tych stanów dzięki innowacyjnym kombinacjom materiałów i projektom urządzeń, zwiększając potencjał skalowalnej elektroniki kwantowej.
Klucz do rozwoju elektroniki kwantowej może mieć kilka załamań. Według zespołu kierowanego przez naukowców z Penn State nie jest to złe rozwiązanie, jeśli chodzi o precyzyjną kontrolę niezbędną do wytwarzania i obsługi takich urządzeń, w tym zaawansowanych czujników i laserów. Naukowcy stworzyli przełącznik umożliwiający włączanie i wyłączanie stanów załamania, czyli ścieżek przewodzenia elektrycznego na krawędziach materiałów półprzewodnikowych. Kontrolując powstawanie stanów załamania, badacze mogą regulować przepływ elektronów w układzie kwantowym.
Odkrywanie stanów załamania w poszukiwaniu informacji kwantowej
„Przewidujemy budowę kwantowej sieci wzajemnych połączeń, wykorzystującej stany załamania jako szkielet” – powiedział lider zespołu Jun Zhu, profesor fizyki w Penn State. Zhu jest także powiązany z Centrum Dwuwymiarowych Materiałów Warstwowych w Penn State. „Taka sieć może służyć do przenoszenia informacji kwantowej w chipie na duże odległości, w przypadku czego klasyczny drut miedziany nie będzie działać, ponieważ ma opór i dlatego nie może utrzymać spójności kwantowej”.
Praca opublikowana niedawno w czasopiśmie Naukapotencjalnie stanowi podstawę dla badaczy do dalszego badania stanów załamania i ich zastosowania w elektronowych urządzeniach optyki kwantowej i komputerach kwantowych.
Mechanika przełączników i efekt Halla w Dolinie Kwantowej
„Ten przełącznik działa inaczej niż konwencjonalny przełącznik, w którym prąd elektryczny jest regulowany przez bramkę, podobnie jak ruch w punkcie poboru opłat” – powiedział Zhu. „Tutaj usuwamy i przebudowujemy samą drogę”.
Stany załamania występują w urządzeniu kwantowym zbudowanym z materiału zwanego dwuwarstwą Bernala grafen. Składa się z dwóch warstw atomowo cienkiego węgla ułożonych razem w taki sposób, że atomy w jednej warstwie są niewspółosiowe z atomami w drugiej. Układ ten, w połączeniu z wykorzystaniem pola elektrycznego, tworzy niezwykłe właściwości elektroniczne — w tym kwantowy efekt Halla w dolinie.
Efekt ten odnosi się do zjawiska, w którym elektrony zajmujące różne stany „doliny” – identyfikowane na podstawie ich energii w stosunku do pędu – poruszają się również w przeciwnych kierunkach do przodu i do tyłu. Stany załamania są przejawem efektu Halla w dolinie kwantowej.
Zaawansowana integracja materiałów i zastosowania kwantowe
„Niesamowitą rzeczą w naszych urządzeniach jest to, że możemy sprawić, że elektrony poruszające się w przeciwnych kierunkach nie zderzają się ze sobą – co nazywa się rozpraszaniem wstecznym – nawet jeśli dzielą te same ścieżki” – powiedział pierwszy autor Ke Huang, absolwent studiów doktoranckich na fizyki w Penn State pod okiem Zhu. „Odpowiada to obserwacji „skwantowanej” wartości rezystancji, która jest kluczem do potencjalnego zastosowania stanów załamania jako drutów kwantowych do przesyłania informacji kwantowej”.
Podczas gdy laboratorium Zhu tak opublikowane wcześniej na temat stanów załamaniaw bieżących pracach kwantyzację efektu Halla w dolinie kwantowej osiągnęli dopiero po poprawie czystości elektronicznej urządzeń, co oznacza, że usunęli źródła, które mogłyby umożliwiać zderzenie elektronów poruszających się w przeciwnych kierunkach. Osiągnęli to, włączając czysty grafit/sześciokątny stos azotku boru jako globalną bramkę – czyli mechanizm umożliwiający przepływ elektronów – do urządzeń.
Zarówno grafit, jak i sześciokątny azotek boru to związki powszechnie stosowane jako smary do farb, kosmetyków i nie tylko. Grafit dobrze przewodzi prąd, a sześciokątny azotek boru jest izolatorem. Naukowcy wykorzystali tę kombinację, aby zatrzymać elektrony w stanach załamania i kontrolować ich przepływ.
Przyszłe kierunki w elektronice kwantowej
„Włączenie stosu grafitu/sześciokątnego azotku boru jako globalnej bramki ma kluczowe znaczenie dla wyeliminowania rozpraszania wstecznego elektronów” – powiedział Huang, zauważając, że to zastosowanie materiału było kluczowym postępem technicznym w bieżącym badaniu.
Naukowcy odkryli również, że kwantyzacja stanów załamania pozostaje zachowana nawet po podniesieniu temperatury do kilkudziesięciu stopni Kelvina, naukowej jednostki temperatury. Zero Kelvina odpowiada -460 stopniom Fahrenheita.
„Efekty kwantowe są często kruche i przetrwają tylko w temperaturach kriogenicznych kilku Kelvinów” – powiedział Zhu. „Im wyższą temperaturę uda nam się osiągnąć, tym większe prawdopodobieństwo, że będzie można go zastosować w określonych zastosowaniach”.
Naukowcy przetestowali eksperymentalnie zbudowany przez siebie przełącznik i odkryli, że może on szybko i wielokrotnie kontrolować przepływ prądu. To dodaje arsenał widżetów elektroniki kwantowej opartych na stanie Kink które pomagają kontrolować i kierować elektronami — zaworem, falowodem i rozdzielaczem wiązki — zbudowane wcześniej przez laboratorium Zhu.
„Opracowaliśmy system autostrady kwantowej, który może przenosić elektrony bez kolizji, jest zaprogramowany do kierowania przepływem prądu i jest potencjalnie skalowalny, a wszystko to stanowi solidną podstawę dla przyszłych badań eksplorujących podstawowe podstawy naukowe i potencjał aplikacyjny tego systemu” – powiedział Zhu . „Oczywiście, aby stworzyć kwantowy system połączeń wzajemnych, wciąż mamy przed sobą długą drogę”.
Zhu zauważyła, że kolejnym celem jej laboratorium jest wykazanie, jak elektrony zachowują się jak spójne fale podczas podróży po zakręconych autostradach stanowych.
Odniesienie: „Wysokotemperaturowy efekt Halla w dolinie kwantowej ze skwantowaną rezystancją i przełącznikiem topologicznym” autorstwa Ke Huanga, Hailong Fu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi i Jun Zhu, 18 lipca 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adj3742
Inni autorzy to Hailong Fu, były doktorant i Eberly Fellow z fizyki na Penn State, a obecnie adiunkt na Uniwersytecie Zhejiang w Chinach; oraz Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi, obaj z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii.
Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki, Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Penn State Eberly Research Fellowship, Nowa Inicjatywa Kaufman Fundacji Pittsburgh, Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki i Światowa Premier Międzynarodowa Inicjatywa Badawcza Japońskiego Ministerstwa Edukacji i Kultury , Sport, Nauka i Technologia sfinansowały te badania.
