Forskare vid Ames Laboratory, Brookhaven National Laboratory, och University of Alabama Birmingham har upptäckt en ljusinducerad omkopplingsmekanism i en Dirac-halvmetall. Mekanismen etablerar ett nytt sätt att kontrollera det topologiska materialet, drivs av fram och tillbaka rörelser av atomer och elektroner, vilket kommer att möjliggöra topologisk transistor och kvantberäkning med hjälp av ljusvågor.

Precis som dagens transistorer och fotodioder ersatte vakuumrör för över ett halvt sekel sedan, forskare söker ett liknande steg framåt i designprinciper och nya material för att uppnå kvantberäkningsmöjligheter. Den nuvarande beräkningskapaciteten står inför enorma utmaningar när det gäller komplexitet, Energiförbrukning, och hastighet; att överskrida de fysiska gränser som nås när elektronik och chips blir hetare och snabbare, större framsteg behövs. Särskilt i liten skala, sådana frågor har blivit stora hinder för att förbättra prestandan.

"Ljusvågstopologisk teknik försöker övervinna alla dessa utmaningar genom att driva kvantperiodisk rörelse för att styra elektroner och atomer via nya frihetsgrader, d.v.s. topologi, och inducerar övergångar utan uppvärmning vid oöverträffade terahertz-frekvenser, definieras som en biljon cykler per sekund, klockfrekvenser, sa Jigang Wang, en senior vetenskapsman vid Ames Laboratory och professor i fysik vid Iowa State University. "Denna nya koherenta kontrollprincip står i skarp kontrast till alla jämviktsjusteringsmetoder som hittills använts, som el, magnetiska fält och töjningsfält, som har mycket lägre hastigheter och högre energiförluster."

Antagande av nya beräkningsprinciper i stor skala, som kvantberäkning, kräver att bygga enheter där ömtåliga kvanttillstånd skyddas från deras bullriga miljöer. Ett tillvägagångssätt är genom utvecklingen av topologiska kvantberäkningar, där qubits är baserade på "symmetriskyddade" kvasipartiklar som är immuna mot brus.

Dock, forskare som studerar dessa topologiska material står inför en utmaning - hur man etablerar och bibehåller kontroll över dessa unika kvantbeteenden på ett sätt som gör tillämpningar som kvantberäkning möjliga. I detta experiment, Wang och hans kollegor visade att kontroll genom att använda ljus för att styra kvanttillstånd i en Dirac-halvmetall, ett exotiskt material som uppvisar extrem känslighet på grund av dess närhet till ett brett spektrum av topologiska faser.

"Vi uppnådde detta genom att tillämpa en ny ljus-kvantkontrollprincip känd som modselektiva Raman-fononkoherenta oscillationer - som driver periodiska rörelser av atomer runt jämviktspositionen med hjälp av korta ljuspulser, " säger Ilias Perakis, professor i fysik och ordförande vid University of Alabama i Birmingham. "Dessa drivna kvantfluktuationer inducerar övergångar mellan elektroniska tillstånd med olika luckor och topologiska ordningar."

En analogi med denna typ av dynamisk omkoppling är den periodiskt drivna Kapitzas pendel, som kan övergå till ett inverterat men stabilt läge när högfrekventa vibrationer appliceras. Forskarens arbete visar att denna klassiska kontrollprincip - att driva material till ett nytt stabilt tillstånd som inte hittas normalt - är förvånansvärt tillämpligt på ett brett spektrum av topologiska faser och kvantfasövergångar.

"Vårt arbete öppnar en ny arena av ljusvågstopologisk elektronik och fasövergångar styrda av kvantkoherens, säger Qiang Li, Gruppledare för Brookhaven National Laboratorys Advanced Energy Materials Group. "Detta kommer att vara användbart i utvecklingen av framtida kvantberäkningsstrategier och elektronik med hög hastighet och låg energiförbrukning."

Spektroskopin och dataanalysen utfördes vid Ames Laboratory. Modellbyggnad och analys utfördes delvis vid University of Alabama, Birmingham. Provutveckling och magnetotransportmätningar utfördes vid Brookhaven National Laboratory. Funktionella densitetsberäkningar stöddes av Center for the Advancement of Topological Semimetals, ett DOE Energy Frontier Research Center vid Ames Laboratory.

Forskningen diskuteras vidare i tidningen, "Ljusdriven Raman-koherens som en icke-termisk väg till ultrasnabb topologiväxling i en Dirac-halvmetall, "författad av C. Vaswani, L.-L. Wang, D.H. Mudiyanselage, Q. Li, P. M. Lozano, G. Gu, D. Cheng, B. Sång, L. Luo, R.H.J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, Dvs. Perakis, Y. Yao, K. M. Ho, och J. Wang; och publiceras i Fysisk granskning X .