En ejendommelig tilstand af stof i lag af halvledere

Forskere over hele verden udvikler ny hardware til kvantecomputere, en ny type enhed, der kunne accelerere lægemiddeldesign, finansiel modellering, og vejrudsigt. Disse computere er afhængige af qubits, stofstykker, der kan repræsentere en kombination af 1 og 0 samtidigt. Problemet er, at qubits er omskiftelige, nedbrydes til regelmæssige bits, når interaktioner med omgivende stof forstyrrer. Men ny forskning ved MIT foreslår en måde at beskytte deres stater på, ved hjælp af et fænomen kaldet mange-legeme lokalisering (MBL).

MBL er en ejendommelig fase af stof, foreslået for årtier siden, det er i modsætning til fast eller flydende. Typisk, stof kommer i termisk ligevægt med sit miljø. Derfor køler suppen og isterninger smelter. Men i MBL, et objekt bestående af mange stærkt interagerende kroppe, såsom atomer, når aldrig en sådan ligevægt. Varme, som lyd, består af kollektive atomare vibrationer og kan bevæge sig i bølger; en genstand har altid sådanne varmebølger internt. Men når der er nok uorden og nok interaktion i den måde, dets atomer er arrangeret på, bølgerne kan blive fanget, dermed forhindrer objektet i at nå ligevægt.

MBL var blevet demonstreret i "optiske gitter, "arrangementer af atomer ved meget kolde temperaturer holdt på plads ved hjælp af lasere. Men sådanne opsætninger er upraktiske. MBL var uden tvivl også blevet vist i faste systemer, men kun med meget langsom tidsmæssig dynamik, hvor fasens eksistens er svær at bevise, fordi ligevægt kunne nås, hvis forskerne kunne vente længe nok. MIT-forskningen fandt en signatur af MBL i et "solid-state" system - et lavet af halvledere - som ellers ville have nået ligevægt i den tid, det blev set.

"Det kunne åbne et nyt kapitel i studiet af kvantedynamik, " siger Rahul Nandkishore, en fysiker ved University of Colorado i Boulder, som ikke var involveret i arbejdet.

Mingda Li, Norman C Rasmussen Adjunkt Nuclear Science and Engineering ved MIT, ledet den nye undersøgelse, offentliggjort i et nyligt nummer af Nano bogstaver . Forskerne byggede et system indeholdende vekslende halvlederlag, skabe en mikroskopisk lasagne - aluminiumsarsenid, efterfulgt af galliumarsenid, og så videre, til 600 lag, hver 3 nanometer (milliontedele af en millimeter) tyk. Mellem lagene spredte de "nanodots, "2-nanometer partikler af erbiumarsenid, at skabe uorden. Lasagnen, eller "supergitter, " kom i tre opskrifter:en uden nanodots, en, hvor nanodotter dækkede 8 procent af hvert lags areal, og en, hvor de dækkede 25 pct.

Ifølge Li, holdet brugte lag af materiale, i stedet for et bulkmateriale, for at forenkle systemet, så spredning af varme på tværs af flyene var i det væsentlige endimensionel. Og de brugte nanodots, i stedet for blot kemiske urenheder, at skrue op for lidelsen.

For at måle om disse forstyrrede systemer stadig forbliver i ligevægt, forskerne målte dem med røntgenstråler. Ved at bruge den avancerede fotonkilde på Argonne National Lab, de skød strålingsstråler med en energi på mere end 20, 000 elektronvolt, og for at løse energiforskellen mellem den indkommende røntgenstråle og efter dens refleksion fra prøvens overflade, med en energiopløsning mindre end en tusindedel af en elektronvolt. For at undgå at trænge ind i supergitteret og ramme det underliggende substrat, de skød den i en vinkel på kun en halv grad fra parallel.

Ligesom lys kan måles som bølger eller partikler, så også kan varme. Den kollektive atomvibration for varme i form af en varmebærende enhed kaldes en fonon. Røntgenstråler interagerer med disse fononer, og ved at måle, hvordan røntgenstråler reflekteres fra prøven, forsøgslederne kan afgøre, om det er i ligevægt.

Forskerne fandt ud af, at når supergitteret var koldt - 30 kelvin, omkring -400 grader Fahrenheit - og den indeholdt nanodotter, dens fononer ved visse frekvenser tilbage var ikke i ligevægt.

Der er mere arbejde tilbage for at bevise, at MBL er blevet opnået, men "denne nye kvantefase kan åbne en helt ny platform til at udforske kvantefænomener, "Li siger, "med mange potentielle anvendelser, fra termisk lagring til kvanteberegning."

For at oprette qubits, nogle kvantecomputere anvender pletter af stof kaldet kvanteprikker. Li siger, at kvanteprikker, der ligner Lis nanodots, kan fungere som qubits. Magneter kunne læse eller skrive deres kvantetilstande, mens lokaliseringen af ​​mange kroppe ville holde dem isolerede fra varme og andre miljøfaktorer.

Med hensyn til termisk opbevaring, et sådant supergitter kan skifte ind og ud af en MBL-fase ved magnetisk at kontrollere nanodotterne. Det kunne isolere computerdele fra varme på et øjeblik, lad derefter dele sprede varmen, når det ikke vil forårsage skade. Eller det kunne tillade varme at bygge op og blive udnyttet senere til at generere elektricitet.

Bekvemt, supergitter med nanodotter kan konstrueres ved hjælp af traditionelle teknikker til fremstilling af halvledere, sammen med andre elementer af computerchips. Ifølge Li, "Det er et meget større designrum end med kemisk doping, og der er mange ansøgninger."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.