نسل جدید تراشه‌های رایانه‌ نورمحور ساخته می‌شود

تیمی بین المللی از دانشمندان توانسته اند شبه ذرات موسوم به اکسیتون را در یک عایق توپولوژیکی تولید و به صورت تجربی شناسایی کنند.

به گزارش تکناک، این کشف راه را برای ساخت نسل جدیدی از تراشه های رایانه نورمحور و فناوری های کوانتومی هموار می کند.

این دستاورد به لطف طراحی مواد هوشمند در Würzburg-Dresden، زادگاه عایق های توپولوژیکی به دست آمده است.

جعبه ابزار جدید برای حالت جامد فیزیک

در جستجوی مواد جدید برای فناوری‌های کوانتومی آینده، یکی از حوزه‌هایی که دانشمندان دو دانشگاه وورتسبورگ و درسدن روی آن تمرکز کرده‌اند، عایق‌های توپولوژیکی است که هدایت جریان الکتریکی و ذخیره سازی قوی اطلاعات بدون تلفات را ممکن می‌سازد.

اولین تحقق تجربی این کلاس مواد در سال 2007 در وورتسبورگ انجام شد و باعث رونق تحقیقاتی جهانی در حالت جامد ویژگی های فیزیکی شد و تا امروز ادامه دارد.

مفاهیم قبلی برای استفاده از عایق های توپولوژیکی مبتنی بر استفاده از ولتاژهای الکتریکی به منظور کنترل جریان است، رویکردی که در تراشه های کامپیوتری معمولی اتخاذ شده است. با این حال، اگر خواص مواد عجیب و غریب بر اساس ذرات خنثی الکتریکی باشد (که نه بار مثبت و نه بار منفی دارند)، ولتاژ الکتریکی دیگر کار نمی کند. بنابراین، اگر چنین پدیده‌های کوانتومی تولید شوند به ابزارهای دیگری همچون نور نیاز دارند.

ارتباط اپتیک و الکترونیک توسط یک پدیده کوانتومی

یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به سرپرستی پروفسور رالف کلاسن، فیزیکدان کوانتومی از وورتسبورگ و سخنگوی ct.qmat، اکنون به کشف مهمی دست یافته است. او گفت: برای اولین بار، ما توانستیم شبه ذرات موسوم به اکسیتون را در یک عایق توپولوژیکی تولید و به صورت تجربی شناسایی کنیم. بنابراین ما یک ابزار جدید برای حالت جامد فیزیک ایجاد کرده ایم که می تواند برای کنترل نوری الکترون ها استفاده شود. همانطور که کلاسن تأکید می کند: این اصل می تواند پایه ای برای نوع جدیدی از قطعات الکترونیکی باشد.

اکسیتون ها شبه ذرات الکترونیکی هستند. اگرچه به نظر می رسد که آنها مانند ذرات مستقل رفتار می کنند، اما در واقع یک حالت الکترونیکی برانگیخته را نشان می دهند که فقط در انواع خاصی از ماده کوانتومی می تواند تولید شود. کلاسن توضیح می دهد: ما با اعمال یک پالس نوری کوتاه بر روی یک لایه نازک متشکل از تنها یک لایه اتم، اکسیتون ها را ایجاد کردیم. او می‌گوید آنچه در این مورد غیرمعمول است این است که اکسیتون‌ها در یک عایق توپولوژیک فعال می‌شوند، چیزی که قبلاً امکان‌پذیر نبود. Claessen می افزاید: این یک خط کاملاً جدید از تحقیقات را برای عایق های توپولوژیکی باز کرده است.

حدود ده سال است که اکسیتون ها در سایر نیمه هادی های دوبعدی مورد بررسی قرار گرفته اند و به عنوان حامل اطلاعات برای اجزای نور محور در نظر گرفته میشوند. برای اولین بار، ما موفق به تحریک نوری اکسیتون ها در یک عایق توپولوژیکی شده ایم. برهم کنش بین نور و اکسیتون ها به این معنی است که می توانیم در چنین موادی انتظار پدیده های جدیدی را داشته باشیم. این اصل را می توان به عنوان مثال برای تولید کیوبیت استفاده کرد.

کیوبیت ها واحدهای محاسباتی تراشه های کوانتومی هستند. آنها بسیار برتر از بیت های سنتی هستند و میتوانند تکالیفی را در عرض چند دقیقه حل کنند که ابررایانه های معمولی به معنای واقعی کلمه سال ها برای حل کردن آنها زمان نیاز دارند. استفاده از نور به جای ولتاژ الکتریکی، تراشه‌های کوانتومی را قادر می‌سازد تا سرعت پردازش بسیار بالاتری داشته باشند. بنابراین، جدیدترین یافته‌ها راه را برای فناوری‌های کوانتومی آینده و نسل جدیدی از دستگاه‌های نور محور در میکروالکترونیک هموار می‌کند.

تخصص جهانی از وورتسبورگ

ماده اولیه مناسب بسیار مهم است که در این مورد بیسموتن در نظر گرفته می شود. کلاسن که پنج سال پیش برای اولین بار عایق توپولوژیکی را در آزمایشگاه طراحی کرد، می‌گوید: این برادر سنگین گرافن ماده معجزه‌آسا است. او می افزاید: ما رهبران جهانی در این زمینه هستیم. با توجه به طراحی پیچیده مواد، اتم های تک لایه بیسموتن در یک الگوی لانه زنبوری قرار گرفته اند، درست مانند گرافن. تفاوت این است که اتم های سنگین بیسموتن آن را به یک عایق توپولوژیکی تبدیل می کند، به این معنی که می تواند الکتریسیته را در امتداد لبه بدون تلاف هدایت کند، حتی در دمای اتاق. این را نمی توان با گرافن انجام داد.

پتانسیل عظیم

اکنون که تیم تحقیقاتی برای اولین بار اکسیتون ها را در یک عایق توپولوژیکی تولید کرده است، توجه به خود شبه ذرات معطوف شده است. دانشمندان در ct.qmat در حال بررسی این هستند که آیا خواص توپولوژیکی بیسموتن به اکسایتون ها منتقل می شود یا خیر. اثبات علمی این امر نقطه عطف بعدی است که محققان به آن توجه دارند. این حتی راه را برای ساخت کیوبیت‌های توپولوژیکی هموار می‌کند، که در مقایسه با همتایان غیر توپولوژیکی خود بسیار قوی در نظر گرفته می‌شوند.

همکاری بین المللی

این یافته ها حاصل همکاری نزدیک دانشمندان بولونیا، وروتسواو، نیویورک، اولدنبورگ و وورزبورگ است. نمونه‌های ماده دو بعدی بیسموتن در JMU Würzburg تولید شد.