Realiseringen af ​​en single-quantum-dot varmeventil

Mens mange forskerhold verden over forsøger at udvikle højtydende kvantecomputere, nogle arbejder på værktøjer til at kontrollere varmestrømmen inde i dem. Ligesom konventionelle computere, faktisk, kvantecomputere kan opvarmes betydeligt, mens de er i drift, hvilket i sidste ende kan beskadige både enhederne og deres omgivelser.

Et team af forskere ved University Grenoble Alpes i Frankrig og Centre of Excellence—Quantum Technology i Finland har for nylig udviklet en enkelt-kvanteprik varmeventil, en enhed, der kan hjælpe med at kontrollere varmestrømmen i enkelt-kvante-prik junctions. Denne varmeventil, præsenteret i et papir offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , kunne være med til at forhindre, at kvantecomputere overophedes.

"Med miniaturiseringen af ​​elektroniske komponenter er håndtering af overskydende varme på nanoskala blevet et stadig vigtigere spørgsmål, der skal behandles, " Nicola Lo Gullo, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Dette gælder især, når man ønsker at bevare en enheds kvantenatur; stigningen i temperatur resulterer typisk i nedbrydningen af ​​kvanteegenskaberne. Den nylige realisering af en fotonisk varmeventil af en anden forskergruppe inspirerede os i sidste ende til at skabe en varmeventil baseret på en solid-state kvanteprik."

Et af hovedformålene med den nylige undersøgelse udført af Lo Gullo og hans kolleger var at demonstrere muligheden for at kontrollere mængden af ​​varme, der strømmer hen over et kvantepunktskrydspunkt, samtidig med at det muliggør strømning af en bestemt mængde elektrisk strøm. For at designe deres single-quantum-dot varmeventil, forskerne placerede en guld nanopartikel mellem to metalliske kontakter, bruge det som et knudepunkt. Denne nanopartikel er så lille, at den kan bruges til at gribe ind på et enkelt energiniveau, at fungere som et større kunstigt atom ville have flere tilgængelige energiniveauer.

"Ved at indstille de eksterne parametre korrekt er det muligt at tillade elektronerne i en af ​​kontakterne at strømme gennem kun et af niveauerne af dette kunstige atom og nå den anden kontakt, "Forklarede Lo Gullo." Kvantumprikken på et niveau fungerer derfor som en bro mellem de to metalliske kontakter. "

Under normale omstændigheder, udvekslingen af ​​energi er kun mulig, når energiniveauet af en kvanteprik er i resonans med energien fra elektronerne i kontakterne. I enheden udviklet af Lo Gullo og hans kolleger, imidlertid, tilstedeværelsen af ​​kontakterne ændrer egenskaberne af det kunstige atom, ved at udvide dets energiniveau.

"Denne effekt er kernen i den varmeventileffekt, vi har undersøgt, " tilføjede Lo Gullo. "Udvidelsen svarer til skabelsen af ​​virtuelle stater, som ikke er klassisk tilgængelige og tillader elektroner at strømme fra en kontakt til en anden, ved at bære energi og give anledning til den varmeventileffekt, vi rapporterede."

I større (makroskopiske) ledere, forskere har identificeret et simpelt og universelt forhold mellem deres evne til at lede elektrisk ladning og deres evne til at lede varme. Dette forhold er skitseret af en teoretisk konstruktion kendt som Wiedemann-Franz-loven.

I kvanteenheder som den, der er udviklet af Lo Gullo og hans kolleger, imidlertid, tingene er ikke så ligetil. Dette skyldes kvantiseringen af ​​ladning og energi, hvilket fører til afvigelser fra Wiedemann-Franz-loven.

"Ved hjælp af det mest grundlæggende kvantemekaniske billede (kaldet semiklassisk), man ville forvente, at en quantum dot junction slet ikke leder varme, "Clemens Winkelmann, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vores målinger, imidlertid, vise, at dette ikke er sandt, og den teoretiske forklaring er relateret til kvanteudsving, præcis som i Heisenberg-usikkerhedsprincippet, som dels genopretter energien og dermed varmestrømmen."

Da de udviklede deres enhed, forskerne skulle overvinde en række tekniske udfordringer. For eksempel, de skulle identificere en strategi til at måle temperaturen (og temperaturforskellene) lokalt inde i en kvanteanordning. Ultimativt, en af ​​de største resultater af deres undersøgelse er, at de var i stand til at indsamle disse målinger og dermed opnå en bedre forståelse af, hvordan varme styres inde i kvanteanordninger.

"Elektroniske enheder producerer spredning, når de behandler information, og dette fører til de velkendte problemer med overophedning observeret i klassiske processorer, som også forekommer i kvanteverdenen, " sagde Winkelmann. "Overophedning kan forstyrre den logiske drift af enheden, fører til fejl. Vores arbejde giver en bedre forståelse af, hvordan varme genereres og kan drænes i sådan en enhed."

Ved at introducere en strategi for at opnå kontrol over varmen, der strømmer gennem de mindste kryds i kvanteenheder, den nylige avis af Lo Gullo, Winkelmann og deres kolleger kunne åbne interessante nye muligheder i forbindelse med et fremvoksende fagområde kendt som solid-state termotronik. Solid-state termotronik forskning undersøger muligheden for at styre varmestrømme gennem temperaturgradienter på samme måde som den, hvor elektriske strømme og spændinger styres i eksisterende enheder.

"Solid-state termotronik er et relativt nyt område, men der er gjort vigtige fremskridt, såsom realisering af varmeventiler, termiske dioder og transistorer, energihøstere og endda forslagene om termiske logiske porte, "Lo Gullo sagde." Vi gav endnu et eksempel på muligheden for at kontrollere og måle varmestrømme og temperaturer i solid-state-enheder. "

I fremtiden, varmeventilen udviklet af dette team af forskere kunne forbedre pålideligheden og sikkerheden af ​​kvanteudstyr, reducere risikoen for overophedning. I deres næste studier, Lo Gullo og Winkelmann vil gerne udtænke strategier til at måle spredning over tid. Med andre ord, i stedet for at fokusere på en kvanteanordnings steady-state opvarmning, de planlægger at undersøge single, elementære kvantedissipative processer, såsom tunnelering af en enkelt elektron eller en enkelt 2π slip af den kvantemekaniske fase.

"Der er mange mulige retninger for fremtidig forskning, " tilføjede Lo Gullo. "Vi kigger i øjeblikket på vejkryds med en mere kompleks struktur for at se, om de tilbyder nogle fordele med hensyn til rækkevidde af betjening. En anden tiltalende mulighed er at opnå tidsbestemt kontrol over varmestrømmen, dermed tillade realtidsoperationer med henblik på anvendelser til termotronik."

© 2021 Science X Network