NTT Research PHI Lab-forskere opnår kvantekontrol af excitoner i 2D-halvledere - High-Performance Computing Nyhedsanalyse

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

NTT Research PHI Lab-forskere opnår kvantekontrol af excitoner i 2D-halvledere - High-Performance Computing Nyhedsanalyse | inde i HPC PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

Sunnyvale, Californien – 26. marts 2024 – NTT Research, Inc., en afdeling af NTT (TYO:9432), meddelte i dag, at videnskabsmænd fra dens Fysik & Informatik (PHI) Lab har opnået kvantestyring af excitonbølgefunktioner i todimensionelle (2D) halvledere. I en artikel offentliggjort i Science Forskud, et team ledet af PHI Lab Research Scientist Thibault Chervy og ETH Zurich Professor Puneet Murthy dokumenterede deres succes med at fange excitoner i forskellige geometrier, herunder kvanteprikker, og kontrollere dem for at opnå uafhængig energiafstemning over skalerbare arrays.

Dette gennembrud blev opnået på PHI Lab i samarbejde med forskere fra ETH Zürich, Stanford University og National Institute for Materials Science i Japan. Excitoner, som dannes, når et materiale absorberer fotoner, er afgørende for applikationer lige fra lysindsamling og generering til kvanteinformationsbehandling. Men at opnå fin kontrol over deres kvantemekaniske tilstand har været plaget med skalerbarhedsproblemer på grund af begrænsninger i eksisterende fremstillingsteknikker. Især har kontrollen over kvanteprikkers position og energi været en stor hindring for opskalering til kvanteapplikationer. Dette nye værk åbner op for muligheder for konstruktion af excitondynamik og interaktioner på nanometerskalaen, med implikationer for optoelektroniske enheder og ikke-lineær kvanteoptik.

Kvanteprikker, hvis opdagelse og syntese blev genkendt i en 2023 Nobelprisen, er allerede blevet implementeret i næste generations videoskærme, biologiske markører, kryptografiske skemaer og andre steder. Deres anvendelse på kvanteoptisk databehandling, et fokus på PHI Labs forskningsdagsorden, har dog hidtil været begrænset til meget små systemer. I modsætning til nutidens digitale computere, der udfører boolsk logik ved hjælp af kondensatorer enten til at blokere elektroner eller tillade dem at flyde, står optisk databehandling over for denne udfordring: Fotoner interagerer af natur ikke med hinanden.

Selvom denne funktion er nyttig til optisk kommunikation, begrænser den i høj grad beregningsmæssige applikationer. Ikke-lineære optiske materialer tilbyder én tilgang, ved at muliggøre fotonisk kollision, der kan bruges som en ressource for logik. (En anden gruppe i PHI Lab fokuserer på et sådant materiale, tyndfilm lithiumniobat.) Holdet ledet af Chervy arbejder på et mere grundlæggende niveau. "Spørgsmålet, som vi tager fat på, er dybest set, hvor langt kan du skubbe dette," sagde han. "Hvis du havde et system, hvor interaktionerne eller ikke-lineariteten ville være så stærk, at en foton i systemet ville blokere passagen af en anden foton, ville det være som en logisk operation på niveau med enkelte kvantepartikler, som sætter dig ind i området for kvanteinformationsbehandling. Det er det, vi forsøgte at opnå ved at fange lys i begrænsede excitoniske tilstande."

Kortlivede excitoner har elektriske ladninger (en elektron og et elektronhul), som gør dem til gode formidlere af interaktioner mellem fotoner. Anvendelse af elektriske felter til at kontrollere bevægelsen af excitoner på heterostrukturenheder, der har en 2D-halvlederflage (0.7 nanometer eller tre atomer tyk), Chervy, Murthy, et al. demonstrere forskellige geometrier af indeslutning, såsom kvanteprikker og kvanteringe. Det vigtigste er, at disse indeslutningssteder er dannet ved kontrollerbare positioner og indstillelige energier. “Teknikken i dette papir viser, at du kan bestemme hvor du vil fange exciton, men også ved hvilken energi det vil blive fanget,” sagde Chervy.

Skalerbarhed er endnu et gennembrud. "Du vil have en arkitektur, der kan skalere op til hundredvis af steder," sagde Chervy. ”Derfor er det meget vigtigt, at det er elektrisk styrbart, fordi vi ved, hvordan man styrer spændinger i store skalaer. For eksempel er CMOS-teknologier meget gode til at kontrollere gate-spændinger på milliarder af transistorer. Og vores arkitektur er ikke anderledes i naturen fra en transistor - vi holder bare et veldefineret spændingspotentiale over et lille bitte kryds."

Forskerne mener, at deres arbejde åbner op for flere nye retninger, ikke kun for fremtidige teknologiske anvendelser, men også for fundamental fysik. "Vi har vist alsidigheden af vores teknik til at definere kvanteprikker og ringe elektrisk," sagde Jenny Hu, primær medforfatter og Stanford University Ph.D. elev (i Professor Tony Heinz' forskningsgruppe). "Dette giver os et hidtil uset niveau af kontrol over egenskaberne af halvlederen på nanoskala. Det næste skridt vil være at undersøge dybere karakteren af lys udsendt fra disse strukturer og finde måder at integrere sådanne strukturer i banebrydende fotonikarkitekturer."

Ud over at udføre forskning i kvasipartikler og ikke-lineære materialer, er PHI Lab-forskere engageret i arbejde omkring den kohærente Ising-maskine (CIM), et netværk af optiske parametriske oscillatorer programmeret til at løse problemer, der er kortlagt til en Ising-model. PHI Lab-forskere udforsker også neurovidenskab for dens relevans for nye beregningsmæssige rammer. I forfølgelsen af denne ambitiøse dagsorden har PHI Lab indgået fælles forskningsaftaler med California Institute of Technology (Caltech), Cornell University, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Notre Dame University, Stanford University, Swinburne University of Technology , Tokyo Institute of Technology og University of Michigan. PHI Lab har også indgået en fælles forskningsaftale med NASA Ames Research Center i Silicon Valley.