NTT Research PHI laboriteadlased saavutavad eksitonite kvantkontrolli 2D-pooljuhtides – kõrgjõudlusega andmetöötluse uudiste analüüs

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Sunnyvale, California – 26. märts 2024 – NTT Research, Inc., NTT osakond (TYO:9432), teatas täna, et teadlased oma Füüsika ja informaatika (PHI) labor on saavutanud eksitonlainefunktsioonide kvantkontrolli kahemõõtmelistes (2D) pooljuhtides. aastal avaldatud artiklis Teadus ettemaksed, dokumenteerisid PHI labori uurija Thibault Chervy ja ETH Zürichi professori Puneet Murthy juhitud meeskond oma edu eksitonite püüdmisel erinevates geomeetriades, sealhulgas kvantpunktides, ja nende kontrollimisel, et saavutada skaleeritavate massiivide sõltumatu energia häälestatavus.

See läbimurre saavutati PHI laboris koostöös ETH Zürichi, Stanfordi ülikooli ja Jaapani riikliku materjaliteaduse instituudi teadlastega. Eksitonid, mis tekivad siis, kui materjal neelab footoneid, on üliolulised rakendustes alates valguse kogumisest ja genereerimisest kuni kvantteabe töötlemiseni. Kuid nende kvantmehaanilise oleku täpse kontrolli saavutamine on olnud olemasolevate valmistamistehnikate piirangute tõttu mastaapsuse probleemidega. Eelkõige on kvantpunktide asukoha ja energia kontroll olnud suur takistus kvantrakenduste suunas liikumisel. See uus töö avab võimalused eksitoni dünaamika ja interaktsioonide projekteerimiseks nanomeetri skaalal, mis mõjutab optoelektroonilisi seadmeid ja kvantmittelineaarset optikat.

Kvantpunktid, mille avastamine ja süntees tunnistati a 2023. aasta Nobeli preemia, on juba kasutusele võetud järgmise põlvkonna videokuvarites, bioloogilistes markerites, krüptograafilistes skeemides ja mujal. Nende rakendamine kvantoptilisele andmetöötlusele, mis on PHI Labi uurimiskava keskmes, on aga seni piirdunud väga väikesemahuliste süsteemidega. Erinevalt tänapäevastest digitaalarvutitest, mis teostavad Boole'i loogikat, kasutades kondensaatoreid kas elektronide blokeerimiseks või nende voolamise võimaldamiseks, seisab optiline andmetöötlus silmitsi selle väljakutsega: footonid ei suhtle oma olemuselt üksteisega.

Kuigi see funktsioon on optilise side jaoks kasulik, piirab see tõsiselt arvutusrakendusi. Mittelineaarsed optilised materjalid pakuvad ühte lähenemisviisi, võimaldades fotoonilise kokkupõrke, mida saab kasutada loogika ressursina. (Teine PHI Labi rühm keskendub ühele sellisele materjalile, õhukese kilega liitiumniobaadile.) Chervy juhitud meeskond töötab põhimõttelisemal tasemel. "Küsimus, millega me tegeleme, on põhimõtteliselt see, kui kaugele saate seda lükata," ütles ta. "Kui teil oleks süsteem, kus vastastikmõju või mittelineaarsus oleks nii tugev, et üks footon süsteemis blokeeriks teise footoni läbipääsu, oleks see nagu loogiline operatsioon üksikute kvantosakeste tasemel, mis paneb teid kvantteabe töötlemise valdkond. Seda me püüdsime saavutada, püüdes valguse kinnistesse eksitoonilistesse olekutesse.

Lühiealiste eksitonite koostises on elektrilaengud (elektron ja elektron-auk), mis teeb neist headeks footonite vaheliste interaktsioonide vahendajateks. Elektriväljade rakendamine eksitonite liikumise juhtimiseks heterostruktuuriga seadmetes, millel on 2D pooljuhthelbed (paksus 0.7 nanomeetrit või kolm aatomit), Chervy, Murthy jt. demonstreerida erinevaid isolatsiooni geomeetriaid, nagu kvantpunktid ja kvantrõngad. Kõige olulisem on see, et need isolatsioonikohad on moodustatud kontrollitavates positsioonides ja häälestatavates energiates. „Selle paberi tehnika näitab, et saate otsustada kus jääd eksitoni lõksu, aga ka millisel energial see jääb lõksu," ütles Chervy.

Skaleeritavus on veel üks läbimurre. "Tahate arhitektuuri, mis ulatuks sadade saitideni," ütles Chervy. „Seetõttu on selle elektriliselt juhitavus väga oluline, sest me teame, kuidas pingeid suures ulatuses juhtida. Näiteks CMOS-tehnoloogiad suudavad väga hästi juhtida miljardite transistoride paisupingeid. Ja meie arhitektuur ei erine oma olemuselt transistorist – me lihtsalt hoiame täpselt määratletud pingepotentsiaali väikeses ristmikus.

Teadlased usuvad, et nende töö avab mitmeid uusi suundi mitte ainult tulevaste tehnoloogiliste rakenduste, vaid ka fundamentaalfüüsika jaoks. "Oleme näidanud oma tehnika mitmekülgsust kvantpunktide ja rõngaste elektrilisel määratlemisel," ütles Jenny Hu, peamine kaasautor ja Stanfordi ülikooli doktorikraad. õpilane (sisse Professor Tony Heinzi uurimisrühm). "See annab meile enneolematu kontrolli pooljuhtide omaduste üle nanomõõtmes. Järgmine samm on uurida nendest struktuuridest kiirgava valguse olemust ja leida viise selliste struktuuride integreerimiseks tipptasemel fotoonikaarhitektuuridesse.

Lisaks kvaasiosakeste ja mittelineaarsete materjalide uurimisele tegelevad PHI Labi teadlased koherentse Isingi masina (CIM), optiliste parameetriliste ostsillaatorite võrguga, mis on programmeeritud lahendama Isingi mudeliga kaardistatud probleeme. PHI Labi teadlased uurivad ka neuroteadust selle olulisuse osas uute arvutusraamistike jaoks. Selle ambitsioonika tegevuskava saavutamiseks on PHI Lab sõlminud ühised uurimislepingud California Tehnoloogiainstituudi (Caltech), Cornelli Ülikooli, Harvardi Ülikooli, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT), Notre Dame'i Ülikooli, Stanfordi Ülikooli ja Swinburne'i Tehnikaülikooliga. , Tokyo Tehnoloogiainstituut ja Michigani Ülikool. PHI Lab on sõlminud ka ühise uurimistöö lepingu NASA Amesi uurimiskeskusega Silicon Valleys.