Впервые исследователи продемонстрировали, как с помощью электроники изменять направление потока электронов в перспективных материалах для квантовых вычислений .
Новый электрический метод удобного изменения направления потока электронов в некоторых квантовых материалах может иметь значение для разработки электронных устройств следующего поколения и квантовых компьютеров. Команда исследователей из штата Пенсильвания разработала и продемонстрировала метод на материалах, демонстрирующих квантовый аномальный эффект Холла (QAH) — явление, при котором поток электронов вдоль края материала не теряет энергии.
Важность управления потоком электронов
«Поскольку электронные устройства становятся меньше, а вычислительные потребности растут, становится все более важным найти способы повышения эффективности передачи информации, включая контроль потока электронов», — сказал Цуй-Зу Чанг, профессор ранней карьеры Генри В. Кнерра и доцент физики Пенсильванского университета и соавтор статьи. «Эффект QAH является многообещающим, поскольку при движении электронов по краям материала отсутствуют потери энергии».
В 2013 году Чанг первым экспериментально продемонстрировал это квантовое явление. Материалы, демонстрирующие этот эффект, называются изоляторами QAH, которые представляют собой разновидность топологического изолятора — тонкого слоя пленки толщиной всего в пару десятков атомов — которые сделаны магнитными, поэтому они проводят ток только по своим краям. Поскольку электроны движутся чисто в одном направлении, эффект называется бездиссипативным, что означает, что энергия не теряется в виде тепла.
Новый электрический метод управления электронами
«В изоляторе QAH электроны на одной стороне материала движутся в одном направлении, а электроны на другой стороне — в противоположном, как на двухполосном шоссе», — сказал Чанг. «Наша более ранняя работа продемонстрировала, как увеличить эффект QAH, по сути создав многополосное шоссе для более быстрого транспорта электронов . В этом исследовании мы разрабатываем новый электрический метод управления направлением движения электронов и обеспечиваем возможность этим электронам мгновенно развернуться».
Исследователи изготовили изолятор QAH со специфическими оптимизированными свойствами. Они обнаружили, что применение 5-миллисекундного импульса тока к изолятору QAH влияет на внутренний магнетизм материала и заставляет электроны менять направление. Возможность менять направление имеет решающее значение для оптимизации передачи, хранения и поиска информации в квантовых технологиях. В отличие от современной электроники, где данные хранятся в двоичном состоянии (включено или выключено — как единица или ноль), квантовые данные могут храниться одновременно в ряде возможных состояний. Изменение потока электронов — важный шаг в записи и чтении этих квантовых состояний.
От магнитного к электронному управлению
«Предыдущий метод переключения направления потока электронов основывался на использовании внешнего магнита для изменения магнетизма материала, но использование магнитов в электронных устройствах не является идеальным», — сказал Чао-Син Лю, профессор физики в Пенсильванском университете и соавтор, переписывающийся с корреспондентом. бумаги. «Громоздкие магниты непрактичны для небольших устройств, таких как смартфоны, а электронный переключатель обычно работает намного быстрее, чем магнитный переключатель. В этой работе мы нашли удобный электронный метод изменения направления потока электронов».
Ранее исследователи оптимизировали изолятор QAH , чтобы они могли использовать физический механизм системы для управления ее внутренним магнетизмом.
«Чтобы сделать этот метод эффективным, нам нужно было увеличить плотность приложенного тока», — сказал Лю. «Благодаря сужению изоляторов QAH импульс тока привел к очень высокой плотности тока, которая изменила направление намагничивания, а также направление пути транспорта электронов».
Этот переход от магнитного к электронному управлению в квантовых материалах, по мнению исследователей, аналогичен сдвигу, который произошел в традиционной памяти: в то время как хранение информации на оригинальных жестких дисках и дискетах предполагало использование магнитов для создания магнитной памяти. поля и записи данных, новая «флэш-память», например, используемая в USB-накопителях, твердотельных жестких дисках и смартфонах, записывается в электронном виде. Перспективные новые технологии масштабирования памяти, такие как MRAM, также полагаются на физические механизмы, связанные с внутренним магнетизмом.
Теоретическая интерпретация и будущие усилия
Помимо экспериментальной демонстрации, исследовательская группа также предоставила теоретическую интерпретацию своей методологии.
В настоящее время команда изучает, как остановить движение электронов на их пути — по сути, включать и выключать систему. Они также пытаются продемонстрировать эффект QAH при более высоких температурах.
«Этот эффект, а также текущие требования к квантовым компьютерам и сверхпроводникам требуют очень низких температур, близких к абсолютному нулю », — сказал Чанг. «Наша долгосрочная цель — воспроизвести эффект QAH при более технологически значимых температурах».
No comments:
Post a Comment