Η οπτική και η ηλεκτρονική συνδέονται με ένα κβαντικό φαινόμενο
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Ralph Claessen, κβαντικό φυσικό από το Würzburg και συν-εκπρόσωπο του ct.qmat, έκανε τώρα μια κρίσιμη ανακάλυψη. «Για πρώτη φορά, μπορέσαμε να δημιουργήσουμε και να ανιχνεύσουμε πειραματικά οιονεί σωματίδια γνωστά ως εξιτόνια σε έναν τοπολογικό μονωτή. Έτσι δημιουργήσαμε μια νέα εργαλειοθήκη για φυσική στερεάς κατάστασης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον οπτικό έλεγχο ηλεκτρονίων», λέει ο Claessen. «Αυτή η αρχή θα μπορούσε να γίνει η βάση για έναν νέο τύπο ηλεκτρονικών εξαρτημάτων».
Πίστωση: Πανεπιστήμιο του Würzburg
Τα εξιτόνια είναι ηλεκτρονικά οιονεί σωματίδια. Αν και φαίνεται να συμπεριφέρονται σαν ανεξάρτητα σωματίδια, στην πραγματικότητα αντιπροσωπεύουν μια διεγερμένη ηλεκτρονική κατάσταση που μπορεί να δημιουργηθεί μόνο σε ορισμένους τύπους κβαντικής ύλης. «Δημιουργήσαμε εξιτόνια εφαρμόζοντας έναν σύντομο παλμό φωτός σε ένα λεπτό φιλμ που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων», εξηγεί ο Claessen. Αυτό που είναι ασυνήθιστο σε αυτό, λέει, είναι ότι τα εξιτόν ενεργοποιήθηκαν σε έναν τοπολογικό μονωτή - κάτι που δεν ήταν δυνατό πριν. «Αυτό έχει ανοίξει μια εντελώς νέα γραμμή έρευνας για τοπολογικούς μονωτές», προσθέτει ο Claessen.
Για περίπου δέκα χρόνια, τα εξιτόνια έχουν ερευνηθεί σε άλλους δισδιάστατους ημιαγωγούς και θεωρούνται φορείς πληροφοριών για εξαρτήματα που οδηγούνται από το φως. «Για πρώτη φορά, καταφέραμε να διεγείρουμε οπτικά τα εξιόνια σε έναν τοπολογικό μονωτή. Η αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και εξιτονίων σημαίνει ότι μπορούμε να περιμένουμε νέα φαινόμενα σε τέτοια υλικά. Αυτή η αρχή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, για τη δημιουργία qubits», λέει ο Claessen.
Τα Qubits είναι υπολογιστικές μονάδες για κβαντικά τσιπ. Είναι πολύ ανώτερα από τα παραδοσιακά bit και επιτρέπουν την επίλυση εργασιών μέσα σε λίγα λεπτά για τις οποίες οι συμβατικοί υπερυπολογιστές θα χρειάζονταν κυριολεκτικά χρόνια. Η χρήση φωτός αντί για ηλεκτρική τάση επιτρέπει σε κβαντικά τσιπ με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες επεξεργασίας. Τα τελευταία ευρήματα λοιπόν ανοίγουν το δρόμο για το μέλλον κβαντικές τεχνολογίες και μια νέα γενιά συσκευών που λειτουργούν με φως στη μικροηλεκτρονική.
Παγκόσμια τεχνογνωσία από το Würzburg
Το σωστό αρχικό υλικό είναι ζωτικής σημασίας—σε αυτή την περίπτωση το βισμούθενιο. «Είναι ο βαρύς αδελφός του θαυματουργού υλικού γραφενίου», λέει ο Claessen, ο οποίος προσάρμοσε για πρώτη φορά τον τοπολογικό μονωτή στο εργαστήριο πριν από πέντε χρόνια. «Είμαστε οι παγκόσμιοι ηγέτες σε αυτόν τον τομέα», προσθέτει.
«Λόγω του εξελιγμένου σχεδιασμού των υλικών μας, τα άτομα του ενιαίου στρώματος του βισμούθενίου είναι διατεταγμένα σε μοτίβο κηρήθρας, ακριβώς όπως το γραφένιο. Η διαφορά είναι ότι τα βαριά άτομα του βισμούθενίου το καθιστούν τοπολογικό απομονωτήρας, που σημαίνει ότι μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό κατά μήκος της άκρης χωρίς απώλειες—ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό δεν μπορεί να γίνει με γραφένιο».
Τεράστιες δυνατότητες
Τώρα που η ερευνητική ομάδα έχει δημιουργήσει εξιτόν σε α τοπολογικός μονωτής για πρώτη φορά, η προσοχή στρέφεται στα ίδια τα οιονεί σωματίδια.
Οι επιστήμονες στο ct.qmat διερευνούν εάν οι τοπολογικές ιδιότητες του βισμούθενίου μεταφέρονται στα εξιτόνια. Η απόδειξη αυτού επιστημονικά είναι το επόμενο ορόσημο στο οποίο οι ερευνητές έχουν το βλέμμα τους. Θα μπορούσε ακόμη και να ανοίξει το δρόμο για την κατασκευή τοπολογικών qubit, τα οποία θεωρούνται ιδιαίτερα ισχυρά σε σύγκριση με τα μη τοπολογικά αντίστοιχα.
πηγή: Ένα νέο ορόσημο για τα ηλεκτρονικά που λειτουργούν με φως
