Valleytronics är ett växande område där dalar - lokala minima i energibandstrukturen för fasta ämnen - används för att koda, bearbeta, och lagra kvantinformation. Även om grafen ansågs vara olämpligt för valleytronics på grund av dess symmetriska struktur, forskare från Indian Institute of Technology Bombay, Indien, har nyligen visat att så inte är fallet. Deras resultat kan bana väg för små kvantdatorer som kan fungera vid rumstemperatur.

Från konsumentens sida, det är ganska lätt att märka de gigantiska framstegen som elektronikområdet har gjort under de senaste decennierna; med bärbara prylar, smarta städer, självkörande bilar, förbättrade rymduppdrag, robotar, holografi, och superdatorer, möjligheterna till tekniska framsteg verkar oändliga. Dock, okänt för de flesta, denna accelererade trend av teknisk utveckling som drivs av elektronik stannar snabbt när elektroniska komponenter når sina praktiska gränser. Om vi ​​ska fortsätta förbättra vår datorkraft och kapacitet, vi kommer att behöva hitta nya sätt att lagra och behandla data utöver elektronernas enkla flöde och laddning, så fungerar modern elektronik.

Så kvantdatorer har nyligen blivit ett hett ämne. Genom att koda information i kvantfenomen, kvantdatorer överskrider den binära uppfattningen att varje bit är antingen "0" eller "1." Istället, kvantbitar existerar som superpositioner av "0" och "1" och kan därför ta mellanvärden. Genom att utnyttja superpositioner genom noggrant utformade algoritmer, kvantdatorer kan teoretiskt överträffa konventionella datorer med flera storleksordningar när det gäller hastighet. Tyvärr, det har visat sig svårt att hitta lämpliga kvantfenomen för att koda information vid rumstemperatur. Befintliga datorer, som de som ägs av Google, IBM, och Microsoft, måste hållas vid ultralåga temperaturer under –196,1 grader Celsius, vilket gör dem dyra och opraktiska att använda.

Lyckligtvis, det finns ett mycket lovande tillvägagångssätt för kodning av kvantinformation som aktivt utforskas:valleytronics. Bortsett från deras avgift, elektroner har en annan parameter som kan manipuleras, nämligen deras "dal -pseudospin, "som är dalen som elektronen upptar. Dessa så kallade dalar är lokala minima i fasta energiband, som dikterar elektronernas energiska tillstånd och plats. Dalar, med deras ockupationsstat styrt av kvantmekanik, kan användas för att koda, bearbeta, och lagra kvantinformation vid mindre restriktiva temperaturer.

Nyligen, ett team av forskare från Indian Institute of Technology (IIT) Bombay, Indien, och Max-Born Institut, Tyskland, uppnått ett genombrott inom valleytronics. I deras senaste studie, publicerad i Optica , de presenterar ett sätt att utföra daloperationer i monoskikt eller orörd grafen, som antogs vara omöjligt av andra forskare inom området. Som affischbarn av kolnanomaterial, grafen är gjord av kolatomer i ett sexkantigt mönster och har en uppsjö av gynnsamma egenskaper. Atomiskt tunna lager av grafen har elektrondalar men, på grund av materialets inneboende symmetri, de ansågs värdelösa för daloperationer.

Trots oddsen, laget kom med en strategi för att bryta grafens dalsymmetri med hjälp av ljus. Docent Gopal Dixit från IIT Bombay, som ledde studien, förklarar:"Genom att skräddarsy polarisationen av två ljusstrålar enligt grafens triangulära gitter, vi fann det möjligt att bryta symmetrin mellan två närliggande kolatomer och utnyttja den elektroniska bandstrukturen i regionerna nära dalarna, inducerar dalpolarisering. "Med andra ord, detta möjliggör användning av grafens dalar för att effektivt "skriva" information. Dr Dixit framhåller också att ljusglimtarna kan få elektroner att vifta flera hundra biljoner gånger i sekundet. I teorin, detta betyder att valleytronics med petahertz -hastigheter är möjligt, som överskrider moderna beräkningshastigheter med en miljon gånger.

En av de mest attraktiva aspekterna av att utföra daloperationer i grafen är att det är möjligt att göra det vid rumstemperatur. "Vårt arbete kan öppna dörren till miniatyr, kvantdatorer för allmänna ändamål som kan användas av vanliga människor, ungefär som bärbara datorer, "säger Dr. Dixit. Med de högre beräkningshastigheterna som kvantdatorer ger, det blir mycket snabbare att utföra molekylära simuleringar, analys av stora data, Djup lärning, och andra beräkningsintensiva uppgifter. I tur och ordning, detta kommer att påskynda utvecklingen av nya läkemedel och belysningen av molekylära strukturer, vilket hjälper till att söka botemedel mot komplexa sjukdomar inklusive COVID-19.