Ett team av forskare har utvecklat en metod som utnyttjar ljusets struktur för att vrida och justera egenskaperna hos kvantmaterial. Deras resultat, publicerade idag i Nature , banar väg för framsteg inom nästa generations kvantelektronik, kvantdatorer och informationsteknologi.
Teamet, ledd av forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University, tillämpade denna metod på ett material som kallas hexagonal bornitrid (hBN), ett enda lager av atomer arrangerade i ett bikakemönster med egenskaper som gör det unikt. lämpad för kvantmanipulation. I sina experiment använde forskarna en speciell typ av ljus, vars elektriska fält ser ut som en trefoil, för att ändra och kontrollera materialets beteende på kvantnivå i en ultrasnabb tidsskala.
Sättet som ljusvågen vrids gör det också möjligt för forskare att exakt kontrollera materialets kvantegenskaper – regler som bestämmer beteendet hos elektroner, som är avgörande för elektricitet och dataflöde. Denna förmåga att kontrollera kvantegenskaper på begäran kan bana väg för att skapa ultrasnabba kvantomkopplare för framtida teknologier.
"Vårt arbete liknar att hitta ett nytt sätt att viska till kvantvärlden och få den att avslöja sina hemligheter för oss", säger Shubhadeep Biswas, en vetenskapsman vid SLAC och Stanford University som ledde forskningen.
Traditionella tekniker kräver ofta att ljuset har precis rätt energi för att arbeta med ett material, en begränsning som detta nya tillvägagångssätt på ett smart sätt kringgår. Genom att använda en speciell typ av ljus och skräddarsy dess mönster för att matcha materialets mönster, kan forskare locka materialet till nya konfigurationer utan att begränsas av dess naturliga egenskaper.
"Detta strukturerade ljus lyser inte bara upp materialet, det vrider sig runt det och ändrar dess kvantegenskaper vid behov på ett sätt som vi kan kontrollera," sa Biswas.
Denna flexibilitet skulle kunna göra det möjligt för metoden att fungera för ett brett spektrum av applikationer, vilket gör det lättare att utveckla ny teknik. I huvudsak skapade teamet förhållanden där elektroner rör sig på nya och kontrollerbara sätt. Det kan till exempel leda till utvecklingen av supersnabba switchar för kvantdatorer, som drastiskt skulle kunna överträffa de datorer vi använder idag.
Utöver de omedelbara resultaten har denna forskning lovat för framtida tillämpningar inom området "valleytronics", ett område som utnyttjar kvantegenskaperna hos elektroner som finns i olika energidalar i ett material för informationsbehandling. Till skillnad från traditionella tillvägagångssätt som kräver ljus anpassat till dessa energidalar, är den nya metoden mer anpassningsbar och erbjuder en ny riktning för att utveckla kvantenheter.
Forskarnas förmåga att manipulera kvantdalarna i hBN kan leda till nya enheter, såsom ultrasnabba kvantomkopplare, som fungerar inte bara på binären av 0:or och 1:or utan på det mer komplexa landskapet av kvantinformation. Detta kommer att möjliggöra snabbare och effektivare sätt att bearbeta och lagra information.
"Det handlar inte bara om att slå på och av en strömbrytare", säger samarbetspartnern Matthias F. Kling, chef för FoU-divisionen på LCLS. "Det handlar om att skapa en switch som kan existera i flera tillstånd samtidigt, vilket avsevärt ökar kraften och potentialen hos våra enheter. Det öppnar upp ett helt nytt sätt att konstruera egenskaperna hos material på en kvantnivå. De potentiella tillämpningarna är enorma och sträcker sig från kvantberäkning till nya former av kvantinformationsbehandling."
Forskningen belyser också de grundläggande sätten som forskare kan interagera med och kontrollera kvantvärlden. För de inblandade forskarna handlar denna resa in i kvantvärlden inte bara om spänningen med upptäckter utan om att tänja på gränserna för vad som är möjligt.
"En av de mest spännande aspekterna är den stora potentialen i våra fynd," sa Biswas. "Vi står på gränsen till en ny era inom teknik, och vi har precis börjat utforska vad som är möjligt när vi utnyttjar kraften i kvantmaterial."
Teamet inkluderade också forskare från Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat München i Tyskland; och Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid i Spanien.
Mer information: Sambit Mitra et al, Ljusvågskontrollerad Haldane-modell i monolager hexagonal bornitrid, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07244-z
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
