Ny forskning låser op for egenskaber til lagring af kvanteinformation og databehandling

Forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har fundet på en måde at manipulere wolframdiselenid (WSe2) - et lovende todimensionelt materiale - for yderligere at frigøre dets potentiale for at muliggøre hurtigere, mere effektiv databehandling, og endda kvanteinformationsbehandling og -lagring. Deres resultater blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Verden over, forskere har været stærkt fokuseret på en klasse af todimensionelle, atomisk tynde halvledermaterialer kendt som monolag overgangsmetal dichalcogenider. Disse atomisk tynde halvledermaterialer - mindre end 1 nm tykke - er attraktive, da industrien forsøger at gøre enheder mindre og mere strømeffektive.

"Det er et helt nyt paradigme, " sagde Sufei Shi, adjunkt i kemi- og biologisk teknik ved Rensselaer og tilsvarende forfatter på papiret. "Fordelene kan være enorme."

Shi og hans forskerhold, i samarbejde med personale fra renrumsfaciliteterne i Center for Materialer, Enheder, og integrerede systemer hos Rensselaer, har udviklet en metode til at isolere disse tynde lag af WSe2 fra krystaller, så de kan stable dem oven på andre atomisk tynde materialer såsom bornitrid og grafen.

Når WSe2-laget er klemt mellem to bornitridflager og interagerer med lys, Shi sagde, en unik proces sker. I modsætning til en traditionel halvleder, elektroner og huller binder sig stærkt sammen og danner en ladningsneutral kvasipartikel kaldet en exciton.

"Exciton er sandsynligvis et af de vigtigste begreber i lys-stof-interaktion. Forståelse af, hvad der er afgørende for solenergi-høst, effektive lysemitterende diode enheder, og næsten alt relateret til de optiske egenskaber af halvledere, " sagde Shi, som også er medlem af afdelingen for el, computer, og systemteknik hos Rensselaer. "Nu har vi fundet ud af, at det faktisk kan bruges til lagring og behandling af kvanteinformation."

En af excitonens spændende egenskaber i WSe2, han sagde, er en ny kvantegrad af frihed, der er blevet kendt som "dalspin" - en udvidet bevægelsesfrihed for partikler, der er blevet øje med kvanteberegning. Men, Shi forklarede, excitoner har typisk ikke en lang levetid, hvilket gør dem upraktiske.

I en tidligere udgivelse i Naturkommunikation , Shi og hans team opdagede en speciel "mørk" exciton, som typisk ikke kan ses, men som har en længere levetid. Dens udfordring er, at den "mørke" exciton mangler "dal-spin" kvantegraden af ​​frihed.

I denne seneste forskning fandt Shi og hans team ud af, hvordan man lysner den "mørke" exciton; det er, at få den "mørke" exciton til at interagere med en anden kvasipartikel kendt som en fonon for at skabe en helt ny kvasipartikel, der har begge egenskaber, forskere ønsker.

"Vi fandt det søde sted, " sagde Shi. "Vi fandt en ny kvasipartikel, der har en kvantegrad af frihed og også en lang levetid, derfor er det så spændende. Vi har kvanteegenskaben for den 'lyse' exciton, men har også den 'mørke' excitons lange levetid."

Holdets resultater, Shi sagde, lægge grundlaget for fremtidig udvikling hen imod den næste generation af computer- og lagerenheder.

Hos Rensselaer, Shi fik følgeskab på denne publikation af postdoktor Zhipeng Li og kandidatstuderende Tianmeng Wang og Zhen Lian, alle fra afdelingen for kemi- og biologisk teknik. Denne forskning blev også udført i tæt samarbejde med National High Magnetic Field Lab og andre forskningsinstitutioner.