כיצד פיתולים קוונטיים זעירים יכולים להניע את הטכנולוגיה של מחר

חוקרים בפן סטייט מפתחים אלקטרוניקה קוונטית מתקדמת תוך שימוש במצבי קינק, שהם מסלולי אלקטרונים ייחודיים בחומרים מוליכים למחצה.

מצבים אלה עלולים להוות את עמוד השדרה של רשת חיבור קוונטית, חיונית להעברת מידע קוונטי ביעילות. הצוות עשה התקדמות משמעותית בשליטה במצבים אלה באמצעות שילובי חומרים חדשניים ועיצובי מכשירים, תוך שיפור הפוטנציאל לאלקטרוניקה קוונטית ניתנת להרחבה.

המפתח לפיתוח האלקטרוניקה הקוונטית עשוי להיות בעל כמה קמטים. לפי צוות בראשות חוקרים בפן סטייט, זה לא דבר רע כשמדובר בבקרה המדויקת הדרושה לייצור ותפעול של מכשירים כאלה, כולל חיישנים מתקדמים ולייזרים. החוקרים יצרו מתג כדי להפעיל ולכבות את נוכחותם של מצבי קינק, שהם מסלולי הולכה חשמליים בקצה של חומרים מוליכים למחצה. על ידי שליטה על היווצרות מצבי הקינק, החוקרים יכולים לווסת את זרימת האלקטרונים במערכת קוונטית.

חקר מדינות קינק למידע קוונטי

"אנו מדמיינים את בנייתה של רשת חיבור קוונטית תוך שימוש במצבי הקינק כעמוד השדרה", אמר ראש הצוות ג'ון ז'ו, פרופסור לפיזיקה בפן סטייט. Zhu מזוהה גם עם המרכז של פן סטייט לחומרים דו מימדיים. "רשת כזו עשויה לשמש לשאת מידע קוונטי בשבב למרחקים ארוכים, שעבורו חוט נחושת קלאסי לא יעבוד כי יש לו התנגדות ולכן אינו יכול לשמור על קוהרנטיות קוונטית."

העבודה, שפורסמה לאחרונה בכתב העת מַדָעעשוי לספק בסיס לחוקרים להמשיך ולחקור מצבי קינק ויישומם במכשירי אופטיקה קוונטית אלקטרונית ומחשבים קוונטיים.

מכניקת מתג ואפקט היכל קוונטום ואלי

"מתג זה פועל בצורה שונה ממתג רגיל, שבו הזרם החשמלי מוסדר דרך שער, בדומה לתנועה דרך כיכר אגרה", אמר ג'ו. "הנה, אנחנו מסירים ובונים מחדש את הכביש עצמו".

מצבי קינק קיימים בהתקן קוונטי שנבנה עם חומר המכונה ברנאל דו-שכבתי גרפן. זה מורכב משתי שכבות של פחמן דק מבחינה אטומית המוערמים יחד, בצורה כזו שהאטומים בשכבה אחת לא מיושרים לאטומים באחרת. סידור זה, יחד עם השימוש בשדה חשמלי, יוצר תכונות אלקטרוניות יוצאות דופן – כולל אפקט הול העמק הקוונטי.

השפעה זו מתייחסת לתופעה של אלקטרונים התופסים מצבי "עמק" שונים – המזוהים על סמך האנרגיה שלהם ביחס לתנע שלהם – נעים גם הם בכיוונים מנוגדים קדימה ואחורה. מצבי קינק הם ביטויים של אפקט הול העמק הקוונטי.

אינטגרציה מתקדמת של חומרים ויישומים קוונטיים

"הדבר המדהים במכשירים שלנו הוא שאנחנו יכולים לגרום לאלקטרונים שנעים בכיוונים מנוגדים לא להתנגש זה בזה – מה שנקרא פיזור לאחור – למרות שהם חולקים את אותם מסלולים", אמר הסופר הראשון קה הואנג, סטודנט לתואר שני העוסק בדוקטורט ב פיזיקה בפן סטייט בהנחייתו של ג'ו. "זה מתאים לתצפית של ערך התנגדות 'קוונטי', שהוא המפתח ליישום הפוטנציאלי של מצבי הקינק כחוטים קוונטיים להעברת מידע קוונטי."

בעוד שמעבדת Zhu פרסמה בעבר על מצבי הקינק, הם השיגו את הקוונטיזציה של אפקט העמק הקוונטי הול רק בעבודה הנוכחית לאחר שיפור הניקיון האלקטרוני של המכשירים, כלומר הסירו מקורות שיכולים לאפשר לאלקטרונים הנעים בכיוונים מנוגדים להתנגש . הם עשו זאת על ידי שילוב ערימת גרפיט נקי/משושה בורון ניטריד כשער גלובלי – או מנגנון שיכול לאפשר זרימת אלקטרונים – לתוך המכשירים.

גם גרפיט וגם בורון ניטריד משושה הם תרכובות הנפוצות כחומר סיכה לצבעים, קוסמטיקה ועוד. גרפיט מוליך חשמל היטב בעוד בורון ניטריד משושה הוא מבודד. החוקרים השתמשו בשילוב זה כדי להכיל אלקטרונים למצבי הקינק ולשלוט בזרימתם.

כיוונים עתידיים בתחום האלקטרוניקה הקוונטית

"השילוב של ערימת גרפיט/בורון ניטריד משושה כשער גלובלי חשוב ביותר לביטול פיזור האלקטרונים לאחור", אמר הואנג, וציין ששימוש בחומר זה היה הקידום הטכני העיקרי של המחקר הנוכחי.

החוקרים מצאו גם שהכימות של מצבי הקינק נשארת גם כשהטמפרטורה עולה לכמה עשרות של קלווין, היחידה המדעית של טמפרטורה. אפס קלווין מתאים ל-460 מעלות פרנהייט.

"השפעות קוונטיות הן לרוב שבירות ושורדות רק בטמפרטורות קריוגניות של כמה קלווין", אמר ג'ו. "ככל שנוכל לגרום לזה לעבוד בטמפרטורה גבוהה יותר, כך גדל הסיכוי שניתן יהיה להשתמש בו ביישומים."

החוקרים בדקו בניסוי את המתג שבנו וגילו שהוא יכול לשלוט במהירות וחוזרות על הזרימה הנוכחית. זה מוסיף לארסנל של ווידג'טים של אלקטרוניקה קוונטית המבוססת על קינק, שעוזרים לשלוט ולכוון אלקטרונים – שסתום, מוליך גל, מפצל קרן – שנבנו בעבר על ידי מעבדת Zhu.

"פיתחנו מערכת קוונטית של כבישים מהירים שיכולה לשאת אלקטרונים ללא התנגשות, להיות מתוכנתת לכוון זרימת זרם והיא ניתנת להרחבה בפוטנציה – כל אלה מנחים בסיס חזק למחקרים עתידיים בוחנים את המדע הבסיסי ואת פוטנציאל היישום של מערכת זו", אמר ג'ו. . "כמובן, כדי לממש מערכת חיבור קוונטית, יש לנו עוד דרך ארוכה לעבור."

ג'ו ציינה שהמטרה הבאה של המעבדה שלה היא להדגים כיצד אלקטרונים מתנהגים כמו גלים קוהרנטיים כאשר הם נוסעים בכבישים המהירים.

מחברים אחרים כוללים את Hailong Fu, פוסט-דוקטורט לשעבר ועמית אברלי בפיזיקה בפן סטייט, ועוזר פרופסור בהווה באוניברסיטת ג'ג'יאנג, סין; ו-Kenji Watanabe ו-Takashi Taniguchi, שניהם עם המכון הלאומי למדעי החומרים ביפן.

הקרן הלאומית למדע בארה"ב, משרד האנרגיה של ארה"ב, מלגת המחקר של פן סטייט אברלי, היוזמה החדשה של קאופמן של קרן פיטסבורג, החברה היפנית לקידום המדע ויוזמת המחקר הבינלאומית המובילה בעולם של משרד החינוך, התרבות של יפן , ספורט, מדע וטכנולוגיה מימנו את המחקר הזה.