Æggekarton quantum dot array kan føre til ultralav strømforsyningsenheder

En ny vej mod at sende og modtage information med enkeltfotoner af lys er blevet opdaget af et internationalt team af forskere under ledelse af University of Michigan.

Deres eksperiment viste muligheden for at bruge en effekt kendt som ikke -linearitet til at ændre og detektere ekstremt svage lyssignaler, drage fordel af tydelige ændringer i et kvantesystem for at fremme næste generations computing.

I dag, efterhånden som siliciumelektronikbaseret informationsteknologi i stigende grad bliver kvalt af varme og energiforbrug, ikke -lineær optik er under intensiv undersøgelse som en potentiel løsning. Kvanteægkartonen fanger og frigiver fotoner, understøtter 'ophidsede' kvantetilstande, mens den besidder den ekstra energi. Når energien i systemet stiger, det tager et større spring i energi for at komme til den næste ophidsede tilstand - det er ulineariteten.

"Forskere har spekuleret på, om påviselige ikke -lineære effekter kan opretholdes ved ekstremt lave effektniveauer - ned til individuelle fotoner. Dette ville bringe os til den grundlæggende nedre grænse for strømforbrug i informationsbehandling, "sagde Hui Deng, professor i fysik og seniorforfatter af papiret i Natur .

"Vi demonstrerede en ny type hybridstat for at bringe os til det regime, forbinder lys og stof gennem en række kvantepunkter, "tilføjede hun.

Fysikerne og ingeniørerne brugte en ny form for halvleder til at skabe kvanteprikker arrangeret som en æggekarton. Quantum dots er i det væsentlige små strukturer, der kan isolere og begrænse individuelle kvantepartikler, såsom elektroner og andet, fremmede ting. Disse prikker er lommerne i æggekartonen. I dette tilfælde, de begrænser excitoner, kvasi-partikler, der består af en elektron og et 'hul'. Et hul vises, når en elektron i en halvleder sparkes ind i et højere energibånd, efterlader en positiv ladning på sit sædvanlige sted. Hvis hullet skygger for elektronen i dets parallelle energibånd, de to betragtes som en enkelt enhed, en exciton.

I konventionelle enheder - med ringe eller ingen ulinearitet - vandrer excitonerne frit og møder næsten ikke hinanden. Disse materialer kan indeholde mange identiske excitoner på samme tid, uden at forskere bemærker nogen ændring i materialegenskaberne.

Imidlertid, hvis excitonen er begrænset til en kvantepunkt, det bliver umuligt at lægge en anden identisk exciton i den samme lomme. Du skal bruge en exciton med en højere energi, hvis du vil have en anden derinde, hvilket betyder, at du skal bruge en foton med højere energi for at lave det. Dette er kendt som kvanteblokade, og det er årsagen til ikke -lineariteten.

Men typiske kvantepunkter er kun få atomer på tværs - de er ikke i en brugbar skala. Som en løsning, Dengs team skabte en række kvantepunkter, der bidrager til ulineariteten på én gang.

Teamet producerede dette æggekarton energilandskab med to flager halvleder, der betragtes som todimensionale materialer, fordi de er lavet af et enkelt molekylært lag, kun få atomer tykke. 2-D halvledere har kvanteegenskaber, der er meget forskellige fra større bidder. Den ene flage var wolframdisulfid, og den anden var molybdæn -diselenid. Lagt med en vinkel på omkring 56,5 grader mellem deres atomgitter, de to sammenflettede elektroniske strukturer skabte et større elektronisk gitter, med lommer omkring 10 atomer på tværs.

For at matrixen af ​​kvantepunkter inde i 2-D halvlederen kan styres som en gruppe med lys, holdet byggede en resonator ved at lave et spejl i bunden, lægger halvlederen oven på den, og derefter deponere et andet spejl oven på halvlederen.

"Du skal kontrollere tykkelsen meget tæt, så halvlederen er maksimalt i det optiske felt, "sagde Zhang Long, en postdoktor i Deng -laboratoriet og første forfatter på papiret.

Med kvanteægkartonen indlejret i det spejlede "hulrum", der gjorde det muligt for rødt laserlys at genlyde, holdet observerede dannelsen af ​​en anden kvantetilstand, kaldes en polariton. Polaritoner er en hybrid af excitonerne og lyset i hulrummet. Dette bekræftede, at alle kvantepunkter interagerer med lys i samspil. I dette system, Dengs team viste, at det at sætte et par excitoner i kartonen førte til en målbar ændring af polaritons energi - hvilket demonstrerede ulinearitet og viste, at der forekom kvanteblokade.

"Ingeniører kan bruge den ikke -linearitet til at skelne energi, der er deponeret i systemet, muligvis ned til en enkelt foton, hvilket gør systemet lovende som en ultra-lav energiomskifter, "Sagde Deng.

Switches er blandt de enheder, der er nødvendige for at opnå ultralav strømberegning, og de kan bygges ind i mere komplekse porte.

"Professor Dengs forskning beskriver, hvordan polariton -ikke -lineariteter kan skræddersys til at forbruge mindre energi, "sagde Michael Gerhold, programleder på Army Research Office, et element i US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. "Kontrol af polaritoner er rettet mod fremtidig integreret fotonik, der bruges til computere med ultra-lav energi og informationsbehandling, der kan bruges til neuromorf behandling til synssystemer, naturlig sprogbehandling eller autonome robotter. "

Kvanteblokaden betyder også, at et lignende system muligvis kan bruges til qubits, byggestenene til behandling af kvanteoplysninger. En fremadgående vej er at finde ud af, hvordan hver kvantepunkt i arrayet skal adresseres som en individuel qubit. En anden måde ville være at opnå polaritonblokade, ligner excitonblokaden set her. I denne version, rækken af ​​excitoner, resonerer i takt med lysbølgen, ville være qubit.

Anvendes på disse måder, de nye 2-D halvledere har potentiale til at bringe kvanteenheder op til stuetemperatur, frem for den ekstreme kulde af flydende nitrogen eller flydende helium.

"Vi er ved at slutte med Moores lov, "sagde Steve Forrest, Peter A. Franken Distinguished University Professor of Electrical Engineering og medforfatter af papiret, henviser til tendensen i densiteten af ​​transistorer på en chip, der fordobles hvert andet år. "To -dimensionelle materialer har mange spændende elektroniske og optiske egenskaber, der kan, faktisk, føre os til det land ud over silicium. "