Forskere kontrollerer kvanteegenskaber af 2D-materialer med skræddersyet lys
Et team af forskere har udviklet en metode, der udnytter lysets struktur til at vride og justere egenskaberne af kvantematerialer. Deres resultater, offentliggjort i dag i Nature bane vejen for fremskridt inden for næste generation af kvanteelektronik, kvantecomputere og informationsteknologi.
Holdet, ledet af forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University, anvendte denne metode på et materiale kendt som hexagonal bornitrid (hBN), et enkelt lag af atomer arrangeret i et bikagemønster med egenskaber, der gør det unikt velegnet til kvantemanipulation. I deres eksperimenter brugte forskerne en særlig slags lys, hvis elektriske felt ligner en trefoil, til at ændre og kontrollere materialets adfærd på kvanteniveau på en ultrahurtig tidsskala.
Den måde, hvorpå lysbølgen er snoet, giver også forskere mulighed for præcist at kontrollere materialets kvanteegenskaber – regler, der bestemmer elektronernes adfærd, som er afgørende for elektricitet og dataflow. Denne evne til at kontrollere kvanteegenskaber efter behov kan bane vejen for at skabe ultrahurtige kvanteswitche til fremtidige teknologier.
"Vores arbejde er beslægtet med at finde en ny måde at hviske til kvanteverdenen og få den til at afsløre sine hemmeligheder for os," sagde Shubhadeep Biswas, en videnskabsmand ved SLAC og Stanford University, der ledede forskningen.
Traditionelle teknikker kræver ofte, at lyset har den helt rigtige energi til at arbejde med et materiale, en begrænsning, som denne nye tilgang omgås smart. Ved at bruge en speciel slags lys og skræddersy dets mønster til at matche materialets mønster, kan videnskabsmænd lokke materialet til nye konfigurationer uden at være begrænset af dets naturlige egenskaber.
"Dette strukturerede lys oplyser ikke kun materialet; det drejer sig rundt om det og ændrer dets kvanteegenskaber efter behov på en måde, vi kan kontrollere," sagde Biswas.
Denne fleksibilitet kan gøre det muligt for metoden at fungere til en bred vifte af applikationer, hvilket gør det lettere at udvikle nye teknologier. I bund og grund skabte holdet forhold, hvor elektroner bevæger sig på nye og kontrollerbare måder. Det kan for eksempel føre til udviklingen af superhurtige switches til kvantecomputere, som drastisk kan overgå de computere, vi bruger i dag.
Ud over de umiddelbare resultater giver denne forskning et løfte om fremtidige anvendelser inden for "valleytronics", et felt, der udnytter kvanteegenskaberne af elektroner, der bor i forskellige energidale i et materiale til informationsbehandling. I modsætning til traditionelle tilgange, der kræver lys tilpasset disse energidale, er den nye metode mere tilpasningsdygtig og tilbyder en ny retning for udvikling af kvanteenheder.
Forskernes evne til at manipulere kvantedalene i hBN kan føre til nye enheder, såsom ultrahurtige kvanteswitche, der ikke kun fungerer på det binære af 0'er og 1'er, men på det mere komplekse landskab af kvanteinformation. Dette vil give mulighed for hurtigere og mere effektive måder at behandle og lagre information på.
"Det handler ikke kun om at slå en kontakt til og fra," sagde samarbejdspartner Matthias F. Kling, direktør for R&D-afdelingen hos LCLS. "Det handler om at skabe en switch, der kan eksistere i flere tilstande på én gang, hvilket i høj grad øger kraften og potentialet i vores enheder. Det åbner op for en helt ny måde at konstruere materialers egenskaber på et kvanteniveau. De potentielle applikationer er enorme og spænder vidt. fra kvanteberegning til nye former for kvanteinformationsbehandling."
Forskningen kaster også lys over de grundlæggende måder, videnskabsmænd kan interagere med og kontrollere kvanteverdenen på. For de involverede videnskabsmænd handler denne rejse ind i kvanteriget ikke kun om spændingen ved opdagelse, men om at skubbe grænserne for, hvad der er muligt.
"Et af de mest spændende aspekter er det store potentiale i vores resultater," sagde Biswas. "Vi er på nippet til en ny æra inden for teknologi, og vi er lige begyndt at udforske, hvad der er muligt, når vi udnytter kraften i kvantematerialer."
Holdet inkluderede også forskere fra Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat München i Tyskland; og Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid i Spanien.
Flere oplysninger: Sambit Mitra et al, lysbølge-styret Haldane-model i monolag hexagonal bornitrid, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07244-z
Journaloplysninger: Natur
Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory
Varme artikler
-
At rette op på en forkert, kernefysikere forbedrer præcisionen af neutrinoundersøgelserPå University of Notre Dame, en del af Oak Ridge Deuterated Spectroscopic Array målte en reaktion, der forårsager støj i nogle neutrino-detektorer. Kredit:Michael Febbraro/ORNL, US Department of Energ -
Fysikforskere opdager nyt elektronisk fænomenKredit:CC0 Public Domain Fysikforskere ved University of North Floridas Atomic LEGO Lab opdagede et nyt elektronisk fænomen, de kalder asymmetrisk ferroelektricitet. Forskningen ledet af Dr. Maitr -
Safirfiber kunne muliggøre renere energi og flyrejserSafir optisk fiber. Kredit:Julian Fells/University of Oxford Forskere fra Oxford University har udviklet en sensor lavet af safirfiber, der kan tolerere ekstreme temperaturer, med potentiale til at -
Blodstrømme kan være mere turbulente end tidligere forventetEn tredimensionel rekonstruktion af spiralformet ustabilitet. Kredit:Michael Riedl © Hof group / IST Austria Blodstrømmen i menneskekroppen antages generelt at være glat på grund af dens lave hast
- Forskere demonstrerer nye, mere energieffektive enheder ved hjælp af galliumnitrid
- Første elektriske nanomotor lavet af DNA-materiale
- Fra kvantevibrationer til nanodiamanter, usædvanlig værktøjskasse sætter farlige SARS-CoV-2-vari…
- Hvad globale klimaændringer kan betyde for løvfald i vandløb og floder
- En stjernes klumpet og klumpet død
- Ingeniører opdager meget ledende materialer til mere effektiv elektronik