פיזיקאים מאוניברסיטת רייס גילו חומר קוונטי שיכול לעבור בין שני שלבים אלקטרוניים, מה שסלל את הדרך לטכנולוגיות זיכרון קוונטי מתקדמות המסוגלות לאחסן קיוביטים בצורה מהימנה. קרדיט: twoday.co.il.com
מציאת אורז יכולה לזרז התפתחות של זיכרון קוונטי לא נדיף.
פיזיקאים מאוניברסיטת רייס גילו חומר קוונטי משנה שלב – ושיטה למציאת עוד כמוהו – שיכול לשמש ליצירת זיכרון דמוי פלאש המסוגל לאחסן סיביות קוונטיות של מידע, או קיוביטים, גם כאשר מחשב קוונטי מופעל מטה.
חומרים משנים שלב וזיכרון דיגיטלי
נעשה שימוש בחומרים משנים שלבים בזיכרון דיגיטלי לא נדיף זמין מסחרית. בתקליטורי DVD הניתנים לכתיבה מחדש, למשל, משתמשים בלייזר כדי לחמם פיסות דקות של חומר שמתקרר ליצירת גבישים או גושים אמורפיים. שני שלבים של החומר, בעלי תכונות אופטיות שונות מאוד, משמשים לאחסון האחדות והאפסים של פיסות מידע דיגיטליות.
במחקר בגישה פתוחה שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבע, פיזיקאי האורז מינג יי ויותר משלושה תריסר מחברים משותפים מתריסר מוסדות הראו באופן דומה שהם יכולים להשתמש בחום כדי להעביר גביש של ברזל, גרמניום וטלוריום בין שני שלבים אלקטרוניים. בכל אחד מאלה, התנועה המוגבלת של אלקטרונים מייצרת מצבים קוונטיים מוגנים טופולוגית. בסופו של דבר, אחסון קיוביטים במצבים מוגנים טופולוגית עשוי להפחית שגיאות הקשורות לדה-קוהרנטיות שהטרידו מחשוב קוונטי.
הפיזיקאי הניסיוני של אוניברסיטת רייס האן וו (משמאל) והפיזיקאי התיאורטי ליי צ'ן שיתפו פעולה עם עמיתים ביותר מתריסר מוסדות מחקר בגילוי של חומר קוונטי משנה שלב שעשוי לשמש ליצירת זיכרון לא נדיף המסוגל לאחסן סיביות קוונטיות של מידע , או קיוביטים. וו וצ'ן הם המחברים הראשיים של מחקר שנערך ב-Nature Communications על המחקר. קרדיט: גוסטבו רסקוסקי/אוניברסיטת רייס
גילוי וניסוי מפתיעים
"זה בא לגמרי בהפתעה", אמר יי על התגלית. "בהתחלה התעניינו בחומר הזה בגלל התכונות המגנטיות שלו. אבל אז היינו עורכים מדידה ורואים את השלב האחד הזה, ואז עבור מדידה אחרת היינו רואים את השני. באופן נומינלי זה היה אותו חומר, אבל התוצאות היו שונות מאוד".
נדרשו יותר משנתיים ועבודה משותפת עם עשרות עמיתים כדי לפענח מה קורה בניסויים. החוקרים גילו שחלק מדגימות הגביש התקררו מהר יותר מאחרות כשהן חוממו לפני הניסויים.
בניגוד לחומרים המשמשים ברוב טכנולוגיות הזיכרון המשתנות שלב, Yi ועמיתיו מצאו את הברזל-גרמניום-טלוריום סַגסוֹגֶת לא היה צורך להמיס ולגבש מחדש כדי לשנות שלבים. במקום זאת, הם גילו שאתרים אטומיים ריקים בסריג הגביש, הידועים כמקומות פנויים, היו מסודרים בתבניות מסודרות שונה בהתאם למהירות התקררות הגביש. כדי לעבור משלב דפוס אחד לאחר, הם הראו שהם יכולים פשוט לחמם את הגביש ולקרר אותו לפרק זמן ארוך יותר או קצר יותר.
השלכות תיאורטיות וכיוונים עתידיים
"אם אתה רוצה לשנות את סדר הפנויות בחומר, זה קורה בדרך כלל בטמפרטורות נמוכות בהרבה ממה שאתה צריך כדי להמיס הכל," אמר יי.
לדבריה, מחקרים מעטים חקרו כיצד התכונות הטופולוגיות של חומרים קוונטיים משתנות בתגובה לשינויים בסדר הפנויות.
"זה הממצא המפתח," היא אמרה על סדר הפנויות הניתנות להחלפה של החומר. "הרעיון של שימוש בסדר פנויות כדי לשלוט בטופולוגיה הוא הדבר החשוב. זה פשוט לא באמת נחקר. אנשים בדרך כלל הסתכלו על חומרים רק מנקודת מבט סטוכיומטרית מלאה, כלומר הכל תפוס בסט קבוע של סימטריות שמובילות לסוג אחד של טופולוגיה אלקטרונית. שינויים בסדר הפנויות משנים את סימטריית הסריג. עבודה זו מראה כיצד זה יכול לשנות את הטופולוגיה האלקטרונית. וסביר להניח שסדר פנויות יכול לשמש כדי לגרום לשינויים טופולוגיים גם בחומרים אחרים."
הפיזיקאי התיאורטי של האורז Qimiao Si, מחבר שותף למחקר, אמר, "אני מוצא את זה מדהים שעמיתיי הנסיינים יכולים לארגן שינוי בסימטריה גבישית תוך כדי תנועה. זה מאפשר יכולת מיתוג בלתי צפויה לחלוטין ועם זאת מבורכת לחלוטין לתיאוריה, כמו גם אנו מבקשים לתכנן ולשלוט בצורות חדשות של טופולוגיה באמצעות שיתוף פעולה של מתאמים חזקים וסימטריית קבוצות החלל".
המחברים הראשיים של המחקר הם האן וו ולי צ'ן, שניהם מחברי רייס. מחברים נוספים של רייס כוללים את Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han ו-Si. יי, דאי, האן, קונו וסי חברים כל אחד ביוזמת הקוואנטים רייס ובמרכז האורז לחומרים קוונטיים.
המחקר נערך בשיתוף חוקרים מה- אוניברסיטת וושינגטוןהמעבדה הלאומית של לוס אלמוס, אוניברסיטת קיונג הי בדרום קוריאה, אוניברסיטת פנסילבניה, אוניברסיטת יילאוניברסיטת קליפורניה דייויס, אוניברסיטת קורנל, אוניברסיטת קליפורניה ברקלי, מעבדת המאיץ הלאומית של Stanford Linear Accelerator Center, המעבדה הלאומית ברוקהייבן, והמעבדה הלאומית של לורנס ברקלי.
מחקר זה נתמך על ידי משרד האנרגיה של משרד האנרגיה (DOE) של מתקני משתמשי המדע (DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-76SF00515, DE-SC0012704), משרד DOE למדעי האנרגיה הבסיסיים (DE-SC0021421, DE-SC0018197 , DE-SC0019443, DE-AC02-05-CH11231, DE-AC02-76SF00515), יוזמת EPiQS של קרן גורדון ובטי מור (GBMF9470), קרן Robert A. Welch (C-2175, C-1411, C-1839 , C-2065-20210327), המשרד למחקר מדעי של חיל האוויר (FA9550-21-1-0356, FA9550-22-1-0449, FA9550-22-1-0410), מלגת פקולטה של ונבר בוש המנוהלת על ידי המשרד של מחקר ימי מטעם משרד המחקר הבסיסי של משרד ההגנה (ONR-VB N00014-23-1-2870), המינהל הלאומי לביטחון גרעיני של ה-DOE (89233218CNA000001), תוכנית המחקר והפיתוח מכוונת המעבדה של DOE (FR-20-653926 ), משרד המחקר של הצבא (W911NF-19-1-0342), הקרן הלאומית למדע (2213891, 1829070, 2100741, 2034345), תוכנית עמיתי המחקר של קרן אלפרד פ. סלואן ומרכז המיקרוסקופיה האלקטרונית של רייס.
