En svepelektronmikroskopbild visar volframdisulfid odlad på ett safirsubstrat (ljus område). Det mellangrå området visar enskiktsvolframdisulfid och det mörka området visar flerskiktsvolframdisulfid. Efter att ha odlat volframdisulfiden på safiren, forskare överför det till europiumsulfid. Kredit:Chuan Zhao / University at Buffalo
Ny forskning om tvådimensionell volframdisulfid (WS 2 ) kan öppna dörren till framsteg inom kvantberäkning.
I en tidning publicerad 13 september in Naturkommunikation , forskare rapporterar att de kan manipulera de elektroniska egenskaperna hos detta supertunna material på sätt som kan vara användbara för att koda kvantdata.
Studien behandlar WS 2 s energidalar, vilket universitet i Buffalo fysiker Hao Zeng, medförfattare till tidningen, beskriver som "det lokala energiextrema för den elektroniska strukturen i ett kristallint fast ämne."
Dalar motsvarar specifika energier som elektroner kan ha i ett material, och närvaron av en elektron i en dal kontra en annan kan användas för att koda information. En elektron i en dal kan representera en 1 i binär kod, medan en elektron i den andra kan representera en 0.
Förmågan att kontrollera var elektroner kan hittas kan ge framsteg inom kvantberäkning, möjliggör skapandet av qubits, den grundläggande enheten för kvantinformation. Qubits har den mystiska egenskapen att de kan existera inte bara i ett tillstånd av 1 eller 0, men i en "superposition" relaterad till båda staterna.
Uppsatsen i Nature Communications markerar ett steg mot dessa framtida teknologier, demonstrerar en ny metod för att manipulera daltillstånd i WS 2 .
Zeng, Ph.D., professor i fysik vid UB College of Arts and Sciences, ledde projektet med Athos Petrou, Ph.D., UB framstående professor i fysik, och Renat Sabirianov, Ph.D., professor i fysik vid University of Nebraska Omaha. Ytterligare medförfattare inkluderade UB fysik doktorander Tenzin Norden, Chuan Zhao och Peiyao Zhang. Forskningen finansierades av National Science Foundation.
Förskjutning av volframdisulfids energidalar
Tvådimensionell volframdisulfid är ett enda lager av materialet som är tre atomer tjockt. I den här konfigurationen, WS 2 har två energidalar, båda med samma energi.
Tidigare forskning har visat att applicering av ett magnetfält kan flytta energin i dalarna i motsatta riktningar, sänker energin i en dal för att göra den "djupare" och mer attraktiv för elektroner, samtidigt som man höjer energin i den andra dalen för att göra den "grundare, " säger Zeng.
UB-forskare arbetar med ett dubbelkammar tunnfilmsavsättningssystem som kan användas för att syntetisera tunnfilmsmaterial. I den nya studien, denna maskin användes för att skapa europiumsulfidfilmer och volframtrioxid, en prekursor för 2D volframdisulfid. Kredit:Douglas Levere / University at Buffalo
"Vi visar att förskjutningen i energin i de två dalarna kan förstoras med två storleksordningar om vi lägger ett tunt lager av magnetisk europiumsulfid under volframdisulfiden, " säger Zeng. "När vi sedan applicerar ett magnetfält på 1 Tesla, vi kan uppnå en enorm förändring av energin i dalarna – motsvarande vad vi skulle kunna hoppas uppnå genom att applicera ett magnetfält på cirka hundra Tesla om europiumsulfiden inte var närvarande.”
"Storleken på effekten var mycket stor - det var som att använda en magnetfältsförstärkare, " säger Petrou. "Det var så förvånande att vi var tvungna att kontrollera det flera gånger för att säkerställa att vi inte gjorde misstag."
Slutresultatet? Förmågan att manipulera och detektera elektroner i dalarna är avsevärt förbättrad, kvaliteter som skulle kunna underlätta kontrollen av qubits för kvantberäkning.
Daltillstånd som qubits för kvantberäkning
Liksom andra former av kvantberäkning, dalbaserad kvantberäkning skulle förlita sig på subatomära partiklars egendomliga egenskaper – i detta fall elektroner – för att utföra kraftfulla beräkningar.
Elektroner beter sig på ett sätt som kan verka konstigt - de kan finnas på flera ställen samtidigt, till exempel. Som ett resultat, 1 och 0 är inte de enda möjliga tillstånden i system som använder elektroner i dalar som qubits. En qubit kan också vara i vilken som helst överlagring av dessa tillstånd, låter kvantdatorer utforska många möjligheter samtidigt, säger Zeng.
"Det är därför kvantdatorn är så kraftfull för vissa speciella uppgifter, " säger Zeng. "På grund av kvantberäkningens probabilistiska och slumpmässiga natur, den är särskilt lämplig för tillämpningar som artificiell intelligens, kryptografi, finansiell modellering och kvantmekaniska simuleringar för att designa bättre material. Dock, många hinder måste övervinnas, och vi är sannolikt många år bort om skalbar universell kvantberäkning någonsin blir verklighet."
Den nya studien bygger på Zeng och Petrous tidigare arbete, där de använde europiumsulfid och magnetfält för att ändra energin i två dalar i ett annat 2D-material:volframdiselenid (WSe) 2 ).
Även om WS 2 och WSe 2 är lika, de svarade olika på övningen "dalklyvning". I WS 2 , dalen som blev "djupare" var analog med dalen i WSe 2 som blev "grundare, " och vice versa, skapa möjligheter att utforska hur denna distinktion skulle kunna ge flexibilitet i tillämpningar av tekniken.
En egenskap som båda materialen delar skulle kunna gynna kvantberäkning:I båda WS 2 och WSe 2 , elektroner som befolkar de två energidalarna har motsatta snurr, en form av rörelsemängd. Även om denna egenskap inte är nödvändig för att skapa en qubit, det "ger ett visst skydd av kvanttillstånden, göra dem mer robusta, " säger Zeng.
