Graphene valleytronics:Baner vejen til små rumtemperatur kvantecomputere

Valleytronics er et spirende felt, hvor dale - lokale minima i energibåndstrukturen af ​​faste stoffer - bruges til at kode, behandle, og gemme kvanteinformation. Selvom grafen blev anset for at være uegnet til valleytronics på grund af dets symmetriske struktur, forskere fra Indian Institute of Technology Bombay, Indien, har for nylig vist, at dette ikke er tilfældet. Deres resultater kan bane vejen for små kvantecomputere, der kan fungere ved stuetemperatur.

Fra forbrugerens side, det er ret nemt at bemærke de gigantiske fremskridt, som elektronikområdet har gjort i løbet af de sidste par årtier; med bærbare gadgets, smarte byer, selvkørende biler, forbedrede rummissioner, robotter, holografi, og supercomputere, mulighederne for teknologiske fremskridt synes uendelige. Imidlertid, uvidende for de fleste, denne accelererede tendens til teknologiske fremskridt drevet af elektronik er hurtigt ved at gå i stå, efterhånden som elektroniske komponenter når deres praktiske grænser. Hvis vi skal fortsætte med at forbedre vores computerkraft og kapacitet, vi bliver nødt til at finde nye måder at lagre og behandle data på ud over den simple strøm og ladning af elektroner, sådan fungerer moderne elektronik.

Så kvantecomputere er for nylig blevet et varmt emne. Ved at indkode information i kvantefænomener, kvantecomputere overskrider den binære forestilling om, at hver bit er enten "0" eller "1". I stedet, kvantebits eksisterer som superpositioner af "0" og "1" og kan derfor tage mellemværdier. Ved at udnytte superpositioner gennem omhyggeligt designede algoritmer, kvantecomputere kunne teoretisk set overgå konventionelle computere med flere størrelsesordener med hensyn til hastighed. Desværre, det har vist sig vanskeligt at finde passende kvantefænomener til at indkode information ved stuetemperatur. Eksisterende computere, såsom dem, der ejes af Google, IBM, og Microsoft, skal opbevares ved ultralave temperaturer under -196,1 grader Celsius, hvilket gør dem dyre og upraktiske at betjene.

Heldigvis, der er en meget lovende tilgang til kodning af kvanteinformation, som aktivt udforskes:valleytronics. Bortset fra deres ansvar, elektroner har en anden parameter, der kan manipuleres, nemlig deres "dal-pseudospin, " som er den dal, som elektronen indtager. Disse såkaldte dale er lokale minima i energibåndene af faste stoffer, som dikterer elektronernes energetiske tilstand og placering. Dale, med deres besættelsesstat styret af kvantemekanik, kan bruges til at kode, behandle, og opbevare kvanteinformation ved mindre restriktive temperaturer.

For nylig, et team af forskere fra Indian Institute of Technology (IIT) Bombay, Indien, og Max-Born Institut, Tyskland, opnået et gennembrud inden for valleytronics. I deres seneste undersøgelse, udgivet i Optica , de præsenterer en måde at udføre daloperationer i monolag eller uberørt grafen, hvilket blev antaget at være umuligt af andre forskere på området. Som plakatbarn af kulstofnanomaterialer, grafen er lavet af kulstofatomer i et sekskantet mønster og har et væld af gunstige egenskaber. Atomisk tynde lag af grafen har elektrondale, men på grund af materialets iboende symmetri, de blev anset for ubrugelige til daloperationer.

Trods oddsene, holdet kom med en strategi til at bryde grafens dalsymmetri ved hjælp af lys. Lektor Gopal Dixit fra IIT Bombay, hvem ledede undersøgelsen, forklarer:"Ved at skræddersy polariseringen af ​​to lysstråler i henhold til grafens trekantede gitter, vi fandt det muligt at bryde symmetrien mellem to nabokulstofatomer og udnytte den elektroniske båndstruktur i regionerne tæt på dalene, inducerer dalpolarisering." Med andre ord, dette gør det muligt at bruge grafen's dale til effektivt at "skrive" information. Dr. Dixit fremhæver også, at lysglimt kan få elektroner til at vrikke flere hundrede billioner gange i sekundet. I teorien, dette betyder, at valleytronics til petahertz-hastigheder er mulig, som overstiger moderne beregningshastigheder med en million gange.

Et af de mest attraktive aspekter ved at udføre daloperationer i grafen er, at det er muligt at gøre det ved stuetemperatur. "Vores arbejde kunne åbne døren til miniature, kvantecomputere til generelle formål, der kan bruges af almindelige mennesker, ligesom bærbare computere, " bemærker Dr. Dixit. Med de højere beregningshastigheder leveret af kvantecomputere, det vil være meget hurtigere at udføre molekylære simuleringer, big data analyse, dyb læring, og andre beregningstunge opgaver. På tur, dette vil fremskynde udviklingen af ​​nye lægemidler og belysningen af ​​molekylære strukturer, som vil hjælpe i søgen efter kur mod komplekse sygdomme, herunder COVID-19.