Ny enhed bringer videnskabsfolk tættere på kvantematerialers gennembrud

Forskere fra University of Nebraska-Lincoln og University of California, Berkeley, har udviklet en ny fotonisk enhed, der kan få forskere tættere på den "hellige gral" med at finde det globale minimum af matematiske formuleringer ved stuetemperatur. At finde den illusive matematiske værdi ville være et stort fremskridt med hensyn til at åbne nye muligheder for simuleringer, der involverer kvantematerialer.

Mange videnskabelige spørgsmål afhænger i høj grad af at være i stand til at finde den matematiske værdi, sagde Wei Bao, Nebraska assisterende professor i elektro- og computerteknik. Søgningen kan være udfordrende selv for moderne computere, især når dimensionerne af parametrene – almindeligvis brugt i kvantefysik – er ekstremt store.

Indtil nu kunne forskere kun gøre dette med polariton-optimeringsenheder ved ekstremt lave temperaturer, tæt på omkring minus 270 grader Celsius. Bao sagde, at Nebraska-UC Berkeley-teamet "har fundet en måde at kombinere fordelene ved lys og stof ved stuetemperatur velegnet til denne store optimeringsudfordring."

Enhederne bruger kvante-halvlys og halvstof-kvasi-partikler kendt som exciton-polaritoner, som for nylig dukkede op som en solid-state analog fotonisk simuleringsplatform til kvantefysik såsom Bose-Einstein-kondensering og komplekse XY-spin-modeller.

"Vores gennembrud er muliggjort ved at adoptere opløsningsdyrket halogenidperovskit, et berømt materiale til solcellesamfund, og dyrke det under nanoindeslutning," sagde Bao. "Dette vil producere exceptionelle glatte enkeltkrystallinske store krystaller med stor optisk homogenitet, som tidligere aldrig er rapporteret ved stuetemperatur for et polaritonsystem."

Bao er den tilsvarende forfatter til et papir, der rapporterer om denne forskning, offentliggjort i Nature Materials .

"Dette er spændende," sagde Xiang Zhang, Baos samarbejdspartner, nu præsident for Hong Kong University, men som afsluttede denne forskning som et maskiningeniørfakultet ved UC Berkeley. "Vi viser, at XY spin-gitter med et stort antal sammenhængende koblede kondensater, der kan konstrueres som et gitter med en størrelse på op til 10×10."

Dens materialeegenskaber kunne også muliggøre fremtidige undersøgelser ved stuetemperatur frem for ultrakolde temperaturer. Bao sagde:"Vi er lige begyndt at udforske potentialet i et rumtemperatursystem til at løse komplekse problemer. Vores arbejde er et konkret skridt hen imod den længe søgte rumtemperatur-solid-state kvantesimuleringsplatform.

"Den løsningssyntesemetode, vi rapporterede med fremragende tykkelseskontrol for stor ultrahomogen halogenidperovskit, kan muliggøre mange interessante undersøgelser ved stuetemperatur uden behov for kompliceret og dyrt udstyr og materialer," tilføjede Bao. Det åbner også døren for simulering af store beregningsmetoder og mange andre enhedsapplikationer, som tidligere var utilgængelige ved stuetemperatur.

Denne proces er afgørende i den stærkt konkurrenceprægede æra af kvanteteknologier, som forventes at transformere områderne informationsbehandling, sansning, kommunikation, billeddannelse og mere.

Nebraska har prioriteret kvantevidenskab og teknik som en af ​​sine store udfordringer. Det blev udnævnt til en forskningsprioritet på grund af universitetets ekspertise på dette område og den indflydelse forskningen kan have på det spændende og lovende felt. + Udforsk yderligere

Forbedring af kvantesensorer ved at måle orienteringen af ​​kohærente spins inde i et diamantgitter