Virstanpylväs valotoimiselle elektroniikalle

Kansainvälinen tutkijaryhmä, joka tekee yhteistyötä Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmatin kanssa, on saavuttanut läpimurron kvanttitutkimuksessa – ensimmäinen eksitonien eli sähköisesti neutraalien kvasihiukkasten havaitseminen topologisessa eristeessä.

Aiemmat käsitykset topologisten eristeiden käytöstä perustuvat sähköjännitteiden käyttöön virtojen ohjaamiseksi – lähestymistapa, joka on omaksuttu perinteisiltä tietokonesiruilta. Kuitenkin, jos eksoottisten materiaalien ominaisuudet perustuvat sähköisesti neutraaleihin hiukkasiin, sähköjännite ei enää toimi. Tällaiset kvantti-ilmiöt vaativat siksi muita työkaluja, jos niitä ylipäänsä halutaan synnyttää – esimerkiksi valoa.

Optiikan ja elektroniikan yhdistää kvantti-ilmiö ja nyt on pystytty tuottamaan ja kokeellisesti havaitsemaan eksitoneina tunnettuja kvasihiukkasia topologisessa eristeessä.

Olemme siis luoneet uuden työkalupakin puolijohdefysiikkaan, jota voidaan käyttää elektronien ohjaamiseen optisesti. Kuten tutkimusta johtanut Ralph Claessen korostaa: "Tästä periaatteesta voisi tulla perusta uudentyyppisille elektronisille komponenteille."

Eksitonit ovat elektronisia kvasihiukkasia. Vaikka ne näyttävät käyttäytyvän kuin itsenäiset hiukkaset, ne edustavat itse asiassa virittynyttä elektronista tilaa, joka voi syntyä vain tietyntyyppisissä kvanttiaineissa. "Loimme eksitonit kohdistamalla lyhyen valopulssin ohuelle kalvolle, joka koostuu vain yhdestä atomikerroksesta", Claessen selvittää. Hänen mukaansa tässä on epätavallista, että eksitonit aktivoitiin topologisessa eristeessä – mikä ei ollut mahdollista ennen. "Tämä on avannut täysin uuden tutkimuslinjan topologisille eristeille", lisää Claessen.

Eksitoneja on tutkittu muissa kaksiulotteisissa puolijohteissa noin kymmenen vuoden ajan ja niitä on pidetty valokäyttöisten komponenttien informaation kantajina. ”Olemme ensimmäistä kertaa onnistuneet virittämään optisesti eksitonit topologisessa eristeessä. Valon ja eksitonien välinen vuorovaikutus tarkoittaa, että voimme odottaa tällaisissa materiaaleissa olevan uusia ilmiöitä. Tätä periaatetta voitaisiin käyttää esimerkiksi kubittien luomiseen, Claessen visioi.

Valon käyttö sähköjännitteen sijaan mahdollistaisi kvanttisirujen paljon nopeamman käsittelyn. Uusimmat löydöt siis tasoittavat tietä tulevaisuuden kvanttiteknologioille ja uuden sukupolven valokäyttöisille laitteille mikroelektroniikassa.

Nyt kun tutkimusryhmä on tuottanut eksitoneja topologiseen eristeeseen, huomio kiinnitetään itse kvasihiukkasiin. Ct.qmatin tutkijat selvittävät, siirtyvätkö vismuteenin topologiset ominaisuudet eksitoneihin. Tämän todistaminen tieteellisesti on seuraava virstanpylväs, johon tutkijat ovat kiinnittäneet huomiota. Se jopa tasoittaisi tietä topologisten kubittien rakentamiselle, joita pidetään erityisen vankkoina ei-topologisiin vastineisiinsa verrattuna.

Aiheesta aiemmin: