Veijo Hänninen
Valolla viritellen
Valon avulla löydetään ja hallitaan yhä useampia varsinkin kvanttimaailmaan liittyviä ilmiöitä. Sitä kautta ne aikanaan löytävät tiensä myös tulevaisuuden elektroniikan spintronisiin, topologisiin ja kvanttilaskennallisiin sovelluksiin.
Yhdysvaltain energiaministeriön Ames-laboratorion tutkijat sekä yhteistyökumppanit Brookhavenin kansallisen laboratoriosta ja Alabaman yliopistosta ovat löytäneet uuden valon aiheuttaman kytkimen, joka kiertää materiaalin kidehilaa kytkemällä päälle jättimäisen elektronivirran, joka näyttää olevan lähes häviötön.
Löytö tehtiin topologisten materiaalien luokassa, jolla on suuri lupaus spintroniikalle, topologisen vaikutuksen transistoreille ja kvanttilaskennalle.
Weyl- ja Dirac-puolimetallit voivat isännöidä eksoottisia, melkein häviöttömiä elektronien johtumisominaisuuksia, jotka hyödyntävät materiaalin kidehilan ja elektronisen rakenteen ainutlaatuista tilaa.
Kaaviokuva valon aiheuttamasta Weyl-pisteiden muodostumisesta ZrTe5:n Dirac-materiaalissa
Näitä symmetrialla ja topologialla suojattuja epänormaaleja elektronien siirtokanavia ei yleensä esiinny tavanomaisissa metalleissa, kuten kuparissa. Kun aihetta on vuosikymmeniä kuvattu vain teoreettisen fysiikan yhteydessä, on nyt kasvava kiinnostus valmistaa, tutkia, jalostaa ja hallita materiaalien topologisesti suojattuja elektronisia ominaisuuksia laitesovelluksia ajatellen.
Esimerkiksi kvanttilaskennan laajamittainen käyttöönotto vaatii rakenneosia, joissa hauraat kvanttitilat on suojattu epäpuhtauksilta ja ympäristöhäiriöltä. Yksi lähestymistapa tämän saavuttamiseksi on kehittää topologinen kvanttilaskenta, jossa kubitit perustuvat "symmetriasuojattuihin" häviöttömiin sähkövirtoihin, jotka ovat immuuneja häiriöille.
Hilaa vääntäen
"Valon aiheuttama hilakierre eli fononinen kytkentä voi hallita kiteiden inversiosymmetriaa ja tuottaa fotogeneroidun jättimäisen ja häviöttömän virran", kertoo Ames laboratorion ja Iowa Staten Jigang Wang. "Tämä uusi ohjausperiaate ei vaadi staattisia sähkö- tai magneettikenttiä ja sen nopeudet ovat paljon suuremmat ja energiakustannukset pienet."
"Tämä havainto voitaisiin laajentaa uuteen kvanttilaskentaperiaatteeseen, joka perustuu kiraaliseen fysiikkaan ja haihtumattomaan energiansiirtoon, jota voi ajaa paljon nopeammin, alhaisemmilla energiakustannuksilla ja korkealla käyttölämpötilalla," sanoo Amesin tutkija ja paperin ensimmäinen kirjoittaja Liang Luo.
Saavutukseen käytettiin terahertsistä laservalospektroskopiaa tutkia ja tökkiä näitä materiaaleja paljastamaan ominaisuuksiensa symmetriakytkentämekanismit.
Tutkijatiimi muutti materiaalin elektronisen rakenteen symmetriaa käyttämällä laserpulsseja vääntämään kiteen hilajärjestelyä. Tämä fotokytkentä mahdollistaa materiaalin Weyl-pisteet, jolloin elektronit käyttäytyvät massattomina hiukkasina, jotka kykenevät kuljettamaan suojattua, pienihäviöistä fotovirtaa, jollaista on pitkään etsitty.
Tutkijoiden mukaan tämä valon indusoiman Weyl-semimetallinen kuljetusten ja topologian ohjausperiaate näyttää olevan universaali ja siitä on hyötyä tulevaisuuden kvanttilaskennan ja suuren nopeuden ja alhaisen energiankulutuksen sisältävän elektroniikan kehittämisessä.
Löytö valosymmetriakytkennästä avaa myös kiehtovan tilaisuuden kuljettaa haihtumatonta elektronivirtaa, topologisesti suojatussa tilassa, joka ei heikkene tai hidastu, kun se törmää materiaalin epätäydellisyyksiin.
Valo-ohjattuja Higgsin tiloja
Nobel palkinnon ja Higgsin hiukkasen törmäily on synnyttänyt universumiakin käsittelevää tutkimustoimintaa, mutta nyt se lähestyy jo kohti elektroniikkaa.
Jigang Wang, fysiikan ja tähtitieteen professori Iowa Staten ja Ames-laboratoriossa, tutkijaryhmineen on löytänyt tämän kuuluisan hiukkasen muodon suprajohteesta.
Wang ja hänen yhteistyökumppaninsa raportoivat, että kvanttitason terahertsispektroskopian avulla he ovat löytäneet lyhytaikaisen "Higgs-tilan" rautapohjaisista monienergiakaistaisista epätavallisista suprajohteista.
Oheinen kuva osoittaa kuinka terahertsisillä valopulsseilla voi hallita Higgs-moodeja rautapohjaisessa suprajohteessa.
Tämä Higgs-tila on aineen tila, joka löytyy atomien, niiden elektronisten tilojen ja energisten herätteiden kvanttitasolta. Toimintatilaan pääsee ja sitä voidaan hallita suprajohteessa terahertsitaajuudella vilkkuvalla laservalolla. Higgs-tilat voidaan luoda eri energiakaistoilla ja silti ne voivat olla edelleen vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
Wang sanoo, että tätä suprajohteen Higgs-tilaa voitaisiin mahdollisesti käyttää uusien kvanttiantureiden kehittämiseen.
"Se on aivan kuten Large Hadron Collideria voi käyttää Higgsin hiukkasia pimeän energian tai antiaineen havaitsemiseen maailmankaikkeuden alkuperää tutkittaessa", Wang hehkuttaa. "Mutta meidän pöytätason Higgs-tilan anturit voivat auttaa meitä löytämään aineen kvanttitilojen piilotetut salaisuudet."
Tämä ymmärrys, Wang sanoo, voisi edistää myös uutta "kvanttivallankumousta" nopeaa laskentaa ja tietotekniikkaa ajatellen. "Se on yksi tapa, jolla tätä eksoottista, outoa kvanttimaailmaa voidaan soveltaa todelliseen elämään", Wang toteaa.
Antiferromagneettiset keinotekoiset neuronit
Tšekin tiedeakatemian ja usean eurooppalaisen yliopiston tutkijat ovat julkaisseet kokeilun, jossa he onnistuivat kirjoittamaan informaatiota antiferromagneettiin femtosekuntisella laserpulsseilla.
Lisäksi heidän antiferromagneetit käyttäytyvät kuin ihmisen aivojen muodostavat elementit - neuronit - perinteisten digitaalisten piirien sijaan. Tarkoittaako se, että voimme nyt rakentaa salamannopeat keinotekoiset aivot, kirjoittaa professori Tomas Jungwirth tutkimusta taustoittavassa artikkelissaan.
Työ on jatkoa aiemmalle kokeelle, jossa tutkijat onnistuivat kirjoittamaan informaatiota antiferromagneettiin sadan millisekunnin pituisilla sähköpulsseilla.
Nyt he onnistuivat lyhentämään kirjoitusaikaa biljoonakertaisesti ja samalla ylittämään monilla suuruusluokilla nykypäivän puolijohde- tai ferromagneettisten muistien kyvyt.
Yksi antiferromagnetismissa piilevistä mahdollisuuksista voisi olla ratkaisu nykypäivän tietokoneiden perusrajoituksiin - ongelma, joka liittyy muistin ja käsittelyosien erillisyyteen.
Aivoissa meillä on nämä kaksi toimintoa integroituna tiheään logiikan muistineuronien verkostoon. Antiferromagneettiset komponentit, kuten hermosolut, voivat paitsi tallentaa informaatiota myös laskea neurosolujen vastaanottamien kirjoituspulssien lukumäärää ja käsitellä pulssien välistä viivettä. Tämä viittaa siihen, että salamannopean keinotekoisen aivon rakentamisen pitäisi tulevaisuudessa olla mahdollista.
Periaatteessa olisi nyt mahdollista tehdä keinotekoinen hermosolu, joka on noin kaksitoista suuruusluokkaa nopeampi kuin aivojemme hermosolu. Toisaalta emme todennäköisesti pitkään aikaan pysty rakentamaan tiheästi toisiinsa kytkettyä verkkoa, jossa on satoja miljardien neuronien sokkelo, joka antaa ihmisaivoille toistaiseksi vertaansa vailla olevan kyvyn – tajunnan, kirjoittaa Tomas Jungwirth.
Kvanttikäyttäytyminen eristeissä ehdottaa mahdollista uutta hiukkasta
Princetonin fyysikot ovat puolestaan havainneet odottamatonta kvanttikäyttäytymisen eristeessä, joka on valmistettu volframiditelluridista.
Kvanttivärähtelynä havaittu ilmiö ilmenee tyypillisesti metalleissa mutta ei eristeissä ja sen löytäminen tarjoaa uusia oivalluksia kvanttimaailmasta. Tulokset viittaavat myös täysin uuden tyyppisen kvanttihiukkasen olemassaoloon.
"Jos tulkintamme ovat oikeita, näemme pohjimmiltaan uuden kvanttimateriaalin muodon", sanoo Sanfeng Wu, Princetonin apulaisprofessori ja artikkelin vanhempi kirjoittaja, kuvatessaan tätä uutta löytöä.
Kvanttivärähtelyjen havaitsemista on pitkään pidetty metallien ja eristeiden välisen eron tunnusmerkkinä. Löytö tehtiin, kun tutkittiin volframiditelluridia, josta tulee yksikerroksisena erittäin vahva eriste.
Tutkijat täydellisesti yllättäneen ilmiön selittämiseksi ei nykyisin ole teorioita. Siitä huolimatta Wu ja hänen kollegansa ovat esittäneet provosoivan hypoteesin - kvanttimateriaalin muodon, joka on neutraalisti varautunut. He ovatkin nimenneet uudet hiukkaset "neutraaleiksi fermioneiksi".
Princeton-tiimi suunnittelee lisätutkimusta aiheesta ja heitä kiinnostaa erityisesti selvittää, onko heidän hypoteesinsa, uuden kvanttihiukkasen olemassaolo pätevä.
Huolimatta tutkimuksen alustavasta tulosten tulkinnasta, Wu spekuloi, kuinka tämä ilmiö voitaisiin hyödyntää käytännössä.
"On mahdollista, että neutraaleja fermioneja voidaan tulevaisuudessa käyttää koodaamaan informaatiota, tavalla josta olisi hyötyä kvanttilaskennassa", toteaa Wu. "Sillä välin olemme kuitenkin vasta alkuvaiheessa ymmärtää tällaisia kvantti-ilmiöitä, joten on vielä tehtävä perusteellisia löytöjä,"
Helmikuu 2020