محققان ایالت پن در حال کار بر روی الکترونیک پیشرفته با استفاده از چیزی به نام حالت های پیچ خوردگی هستند که مسیرهای ویژه ای برای الکترون ها در مواد هستند. این مسیرها می توانند به ایجاد شبکه های اطلاعاتی کوانتومی ضروری برای نسل بعدی الکترونیک کمک کنند. اعتبار: SciTechDaily.com
محققان ایالت پن در حال توسعه الکترونیک کوانتومی پیشرفته با استفاده از حالت های پیچ خوردگی هستند که مسیرهای الکترونیکی منحصر به فردی در مواد نیمه هادی هستند.
این حالت ها به طور بالقوه می توانند ستون فقرات یک شبکه به هم پیوسته کوانتومی را تشکیل دهند که برای انتقال کارآمد اطلاعات کوانتومی بسیار مهم است. این تیم پیشرفت قابل توجهی در کنترل این حالت ها از طریق ترکیب های نوآورانه از مواد و طراحی دستگاه داشته است که پتانسیل الکترونیک کوانتومی مقیاس پذیر را افزایش می دهد.
کلید توسعه الکترونیک کوانتومی ممکن است چندین پیچیدگی داشته باشد. به گفته تیمی به سرپرستی محققان Penn State، در مورد کنترل دقیق مورد نیاز برای ساخت و راه اندازی چنین دستگاه هایی، از جمله حسگرها و لیزرهای پیشرفته، این چیز بدی نیست. محققان کلیدی برای روشن و خاموش کردن وجود حالت های پیچ خوردگی ایجاد کردند که مسیرهای هدایت الکتریکی در لبه مواد نیمه هادی هستند. با کنترل شکل گیری حالت های پیچ خوردگی، محققان می توانند جریان الکترون ها را در یک سیستم کوانتومی تنظیم کنند.
کاوش حالت های شکست برای اطلاعات کوانتومی
جون جو، سرپرست تیم، پروفسور فیزیک در ایالت پن می‌گوید: «ما ساخت یک شبکه کوانتومی متصل به هم با استفاده از حالت‌های پیچ خوردگی به عنوان ستون فقرات را تصور می‌کنیم. زو همچنین به مرکز مواد لایه ای دوبعدی ایالت پن وابسته است. از چنین شبکه ای می توان برای انتقال اطلاعات کوانتومی بر روی یک تراشه در مسافت طولانی استفاده کرد، که سیم مسی کلاسیک برای آن کار نخواهد کرد زیرا مقاومت دارد و بنابراین نمی تواند انسجام کوانتومی را پشتیبانی کند.
اثری که اخیراً در علوم پایهبه طور بالقوه زمینه ای را برای محققان فراهم می کند تا به بررسی حالت های شکست و کاربرد آنها در دستگاه های اپتیک کوانتومی الکترونیکی و رایانه های کوانتومی ادامه دهند.
مکانیک سوئیچینگ و اثر هال دره کوانتومی
ژو گفت: «این کلید متفاوت از یک کلید معمولی کار می کند، جایی که جریان الکتریکی از طریق دروازه تنظیم می شود، شبیه به ترافیک از طریق یک باجه عوارض. در اینجا ما در حال برداشتن و بازسازی خود جاده هستیم.»
حالات پیچ خوردگی در یک دستگاه کوانتومی ساخته شده با ماده ای به نام دولایه برنال وجود دارد گرافن. این شامل دو لایه نازک اتمی کربن است که روی هم چیده شده‌اند به گونه‌ای که اتم‌های یک لایه نسبت به اتم‌های لایه دیگر نامناسب هستند. این آرایش، همراه با استفاده از یک میدان الکتریکی، خواص الکترونیکی غیرعادی – از جمله اثر هال کوانتومی – ایجاد می کند.
این اثر به پدیده ای اشاره دارد که الکترون ها حالت های مختلف «دره» را اشغال می کنند – که بر اساس انرژی آنها نسبت به تکانه آنها مشخص می شود – همچنین در جهت مخالف به جلو و عقب حرکت می کنند. حالات پیچ خورده تظاهراتی از اثر هال در دره کوانتومی هستند.
یکپارچه سازی مواد پیشرفته و کاربردهای کوانتومی
نویسنده اول که هوانگ، دانشجوی دکترای فیزیک در پن می‌گوید: «نکته شگفت‌انگیز در مورد دستگاه‌های ما این است که می‌توانیم کاری کنیم که الکترون‌هایی که در جهت مخالف حرکت می‌کنند با یکدیگر برخورد نکنند – که به آن پراکندگی برگشتی می‌گویند – حتی اگر مسیرهای مشابهی داشته باشند.» ایالت تحت نظارت ژو. “این با مشاهده یک مقدار مقاومت “کوانتیزه” مطابقت دارد، که کلید کاربرد بالقوه حالت های شکست به عنوان سیم های کوانتومی برای انتقال اطلاعات کوانتومی است.”
در حالی که آزمایشگاه زو دارد قبلا در کشورهای ناهموار منتشر شده استآن‌ها تنها پس از بهبود خلوص الکترونی دستگاه‌ها، به کوانتیزه شدن اثر هال کوانتومی دره کوانتومی دست یافتند، به این معنی که آنها منابعی را حذف کردند که می‌توانست الکترون‌هایی را که در جهت مخالف حرکت می‌کنند اجازه برخورد دهد. آنها این کار را با ترکیب یک پشته نیترید بور گرافیتی خالص/ شش ضلعی به عنوان یک دروازه جهانی – یا مکانیزمی که می‌تواند جریان الکترون‌ها را به دستگاه‌ها اجازه دهد، انجام دادند.
هر دو گرافیت و نیترید بور شش ضلعی ترکیباتی هستند که معمولاً به عنوان روان کننده برای رنگ ها، لوازم آرایشی و غیره استفاده می شوند. گرافیت الکتریسیته را به خوبی هدایت می کند، در حالی که نیترید بور شش ضلعی یک عایق است. محققان از این ترکیب برای به دام انداختن الکترون ها در حالت های چین خورده و کنترل جریان آنها استفاده کردند.
جهات آینده در الکترونیک کوانتومی
هوانگ با اشاره به اینکه استفاده از این ماده پیشرفت فنی کلیدی مطالعه کنونی است، گفت: «شامل یک پشته نیترید بور گرافیتی/شش ضلعی به عنوان یک دروازه جهانی برای از بین بردن پراکندگی برگشتی الکترون بسیار مهم است.
محققان همچنین دریافتند که کوانتیزاسیون حالات پیچ خوردگی حتی زمانی که دما به چند ده کلوین، واحد علمی دما، افزایش می یابد، باقی می ماند. صفر کلوین مربوط به -460 درجه است فارنهایت.
ژو گفت: «اثرات کوانتومی اغلب شکننده هستند و فقط در دمای برودتی چند کلوین زنده می مانند. هر چه دمای بالاتری را بتوانیم به کار ببریم، احتمال استفاده از آن در برنامه‌ها بیشتر می‌شود.»
محققان به طور تجربی سوئیچ ساخته شده خود را آزمایش کردند و دریافتند که می تواند به سرعت و به طور مکرر جریان جریان را کنترل کند. این به زرادخانه ای از ابزارهای الکترونیک کوانتومی مبتنی بر حالت شکست که به کنترل و هدایت الکترون ها کمک می کند – دریچه، موجبر، شکاف پرتو – که قبلا توسط آزمایشگاه ژو ساخته شده بود.
“ما یک سیستم بزرگراه کوانتومی ایجاد کرده‌ایم که می‌تواند الکترون‌ها را بدون برخورد منتقل کند، برای جریان مستقیم برنامه‌ریزی شود، و به طور بالقوه مقیاس‌پذیر است – همه این‌ها پایه‌ای قوی برای مطالعات آینده برای بررسی علوم بنیادی و پتانسیل‌های کاربردی این سیستم ایجاد می‌کنند.” گفت . البته، برای تحقق یک سیستم به هم پیوسته کوانتومی، هنوز راه زیادی در پیش داریم.»
ژو خاطرنشان کرد که هدف بعدی آزمایشگاه او این است که نشان دهد چگونه الکترون ها هنگام حرکت در امتداد بزرگراه های حالت شکسته به عنوان امواج منسجم رفتار می کنند.
مرجع: “اثر هال دره کوانتومی با دمای بالا با مقاومت کوانتیزه و سوئیچ توپولوژیکی” توسط Ke Huang، Hailong Fu، Kenji Watanabe، Takashi Taniguchi و Jun Zhu، 18 ژوئیه 2024. علوم پایه.
DOI: 10.1126/science.adj3742
نویسندگان دیگر عبارتند از هایلونگ فو، همکار سابق فوق دکترا و همکار Eberly در فیزیک در ایالت پن و استادیار فعلی در دانشگاه ژجیانگ، چین. و کنجی واتانابه و تاکاشی تانیگوچی، هر دو از موسسه ملی علوم مواد در ژاپن.
بنیاد ملی علوم ایالات متحده، وزارت انرژی ایالات متحده، بورسیه تحقیقاتی ایبرلی ایالت پن، ابتکار جدید کافمن از بنیاد پیتسبورگ، انجمن ژاپن برای ترویج علم، و ابتکار تحقیقات بین المللی برتر جهانی وزارت آموزش، فرهنگ، ورزش، علم و فناوری بودجه این تحقیق را تامین کردند.
