מחקר חדש מדגים שליטה במצבים קוונטיים שיכולים לחולל מהפכה ביעילות האנרגיה באלקטרוניקה ולקדם את המחשוב הקוונטי. קרדיט: twoday.co.il.com
לראשונה, מדענים מבצעים מניפולציה חשמלית של 'מצב ממשק כיראלי' בחומר דו-ממדי, עם הבטחה למיקרו-אלקטרוניקה חסכונית באנרגיה מחשוב קוונטי.
- מדענים צילמו את התמונות הראשונות ברזולוציה אטומית של תופעה קוונטית אקזוטית שיכולה לעזור לחוקרים לקדם מחשוב קוונטי ואלקטרוניקה חסכונית באנרגיה.
- העבודה מאפשרת הדמיה ובקרה של זרימת אלקטרונים במחלקה ייחודית של מבודדים קוונטיים.
- הממצאים עשויים לעזור לחוקרים לבנות רשתות מתכווננות של ערוצי אלקטרונים עם הבטחה למחשוב קוונטי יעיל והתקני זיכרון מגנטי בעלי הספק נמוך בעתיד.
פריצת דרך במחשוב קוונטי ואלקטרוניקה
צוות מחקר בינלאומי בראשות לורנס ברקלי המעבדה הלאומית (מעבדת ברקלי) צילם את התמונות הראשונות ברזולוציה אטומית והדגים שליטה חשמלית במצב ממשק כירלי – תופעה קוונטית אקזוטית שיכולה לעזור לחוקרים לקדם מחשוב קוונטי ואלקטרוניקה חסכונית באנרגיה.
חשיפת מצבי ממשק כיראליים
מצב הממשק הכיראלי הוא תעלה מוליכה המאפשרת לאלקטרונים לנוע בכיוון אחד בלבד, ומונעת מהם להתפזר לאחור ולגרום להתנגדות חשמלית מבזבזת אנרגיה. חוקרים עובדים כדי להבין טוב יותר את המאפיינים של מצבי ממשק כיראליים בחומרים אמיתיים, אך הוכחה חזותית של המאפיינים המרחביים שלהם כקשה במיוחד.
אבל עכשיו, לראשונה, תמונות ברזולוציה אטומית שנלכדו על ידי צוות מחקר במעבדת ברקלי ואוניברסיטת ברקלי, דימו ישירות מצב ממשק כירלי. החוקרים גם הדגימו יצירה לפי דרישה של ערוצי הולכה נטולי התנגדות אלה במבודד דו מימדי.
סורקת תמונת מיקרוסקופ מנהור של פונקציית גל מצב של ממשק כיראלי (פס בהיר) במבודד הול חריג קוונטי העשוי מגרפן דו-שכבתי מעוות. קרדיט: Canxun Zhang/Berkeley Lab
קידום יישומי חומרים קוונטיים
עבודתם, שדווחה בכתב העת פיזיקת הטבעהוא חלק מהדחיפה הרחבה יותר של מעבדת ברקלי לקידום מחשוב קוונטי ויישומי מערכות מידע קוונטיות אחרות, כולל עיצוב וסינתזה של חומרים קוונטיים כדי לתת מענה לצרכים טכנולוגיים דחופים.
"העבודה שלנו מראה לראשונה איך נראים המצבים הדו-ממדיים האלה בקנה מידה אטומי, כולל איך אנחנו יכולים לשנות אותם – ואפילו ליצור אותם."
– Canxun Zhang, חוקר סטודנטים לתארים מתקדמים לשעבר, החטיבה למדעי החומרים
"ניסויים קודמים הוכיחו שקיימים מצבי ממשק כיראליים, אבל אף אחד מעולם לא דמיין אותם ברזולוציה כה גבוהה. העבודה שלנו מראה לראשונה איך נראים המצבים הדו-ממדיים האלה בקנה מידה אטומי, כולל איך אנחנו יכולים לשנות אותם – ואפילו ליצור אותם", אמר הסופר הראשון Canxun Zhang, חוקר סטודנט לתואר שני לשעבר בחטיבת מדעי החומרים של מעבדת ברקלי וה-Berkeley. המחלקה לפיזיקה באוניברסיטת ברקלי. כעת הוא חוקר פוסט-דוקטורט ב-UC סנטה ברברה.
טכניקות חדשניות ויישומים עתידיים
מצבי ממשק כיראליים יכולים להתרחש בסוגים מסוימים של חומרים דו מימדיים הידועים כמבודדי הול quantum anomalous Hall (QAH) שהם מבודדים בתפזורת אך מוליכים אלקטרונים ללא התנגדות ב"קצוות" חד מימדיים – הגבולות הפיזיים של החומר והממשקים עם חומרים אחרים.
כדי להכין מצבי ממשק כיראליים, הצוות עבד ב-Berkeley Lab's Molecular Foundry כדי לייצר מכשיר בשם twisted monolayer-bilayer גרפןשהיא ערימה של שתי שכבות גרפן דקות אטומיות המסובבות באופן מדויק זו לזו, ויוצרת סריג-על של מוארה המציג את אפקט ה-QAH.
תמונות מיקרוסקופיות מנהור סורקות מציגות פונקציית גל מצב של ממשק כיראלי (פס בהיר) במבודד QAH העשוי מגרפן דו-שכבתי מעוות במכשיר דו-ממדי. ניתן להעביר את הממשק על פני המדגם על ידי אפנון המתח על אלקטרודת שער הממוקמת מתחת לשכבות הגרפן. קרדיט: Canxun Zhang/Berkeley Lab
בניסויים שלאחר מכן במחלקה לפיזיקה בברקלי, החוקרים השתמשו במיקרוסקופ מנהור סורק (STM) כדי לזהות מצבים אלקטרוניים שונים בדגימה, מה שאפשר להם לדמיין את פונקציית הגל של מצב הממשק הכיראלי. ניסויים אחרים הראו שניתן להעביר את מצב הממשק הכיראלי על פני המדגם על ידי אפנון המתח על אלקטרודת שער המוצבת מתחת לשכבות הגרפן. בהדגמה אחרונה של שליטה, החוקרים הראו שדופק מתח מקצה בדיקה STM יכול "לכתוב" מצב ממשק כיראלי לתוך המדגם, למחוק אותו ואפילו לשכתב אחד חדש שבו אלקטרונים זורמים בכיוון ההפוך.
השפעה פוטנציאלית ומחקר מתמשך
הממצאים עשויים לעזור לחוקרים לבנות רשתות מתכווננות של ערוצי אלקטרונים עם הבטחה למיקרו-אלקטרוניקה חסכונית באנרגיה ולהתקני זיכרון מגנטי בהספק נמוך בעתיד, ולחישוב קוונטי תוך שימוש בהתנהגויות אלקטרונים אקזוטיות במבודדי QAH.
החוקרים מתכוונים להשתמש בטכניקה שלהם כדי ללמוד פיזיקה אקזוטית יותר בחומרים קשורים, כגון anyons, סוג חדש של קוואזי-חלקיקים שיכול לאפשר מסלול לחישוב קוונטי.
"התוצאות שלנו מספקות מידע שלא היה אפשרי קודם לכן. יש עוד דרך ארוכה לעבור, אבל זה צעד ראשון טוב", אמר ג'אנג.
את העבודה הוביל מייקל קרומי, מדען סגל בכיר בחטיבת מדעי החומרים של מעבדת ברקלי ופרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ברקלי.
טיאנקונג ג'ו, חוקר פוסט-דוקטורט לשעבר בקבוצת קרומי במעבדת ברקלי ובאוניברסיטת UC ברקלי, תרם ככותב משותף וכיום הוא פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת פרדו.
The Molecular Foundry הוא מתקן משתמש של משרד DOE of Science במעבדת ברקלי.
עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע של DOE. מימון נוסף ניתן על ידי הקרן הלאומית למדע.
