光波控制谷值選擇性帶隙修正

一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種利用光的結(jié)構(gòu)來(lái)扭曲和調(diào)整量子材料特性的方法。他們的研究成果發(fā)表在今天的《自然》(Nature)雜志上，為下一代量子電子學(xué)、量子計(jì)算和信息技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。

由美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將這種方法應(yīng)用于一種名為六方氮化硼(hBN)的材料，這種材料由單層原子以蜂窩狀排列而成，其特性使其非常適合量子操縱。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們利用一種電場(chǎng)看起來(lái)像三葉草的特殊光線，以超快的時(shí)間尺度在量子水平上改變和控制材料的行為。

光波的扭曲方式還能讓研究人員精確控制材料的量子特性--決定電子行為的規(guī)則，而電子對(duì)電力和數(shù)據(jù)流至關(guān)重要。這種按需控制量子特性的能力可以為未來(lái)技術(shù)創(chuàng)造超快量子開關(guān)鋪平道路。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的SLAC和斯坦福大學(xué)科學(xué)家Shubhadeep Biswas說(shuō)：“我們的工作就像是找到了一種與量子世界竊竊私語(yǔ)的新方法，讓它向我們揭示自己的秘密。”

傳統(tǒng)技術(shù)通常要求光具有恰到好處的能量才能與材料發(fā)生作用，而這種新方法巧妙地繞過(guò)了這一限制。通過(guò)使用一種特殊的光并調(diào)整其模式以匹配材料的模式，科學(xué)家們可以將材料哄騙成新的構(gòu)型，而不受材料自然屬性的限制。

這種靈活性可以使這種方法適用于廣泛的應(yīng)用，從而更容易開發(fā)出新技術(shù)。從本質(zhì)上講，研究小組創(chuàng)造了電子以新的可控方式運(yùn)動(dòng)的條件。例如，這可能會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)超快開關(guān)的開發(fā)，從而大大超越我們現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)。

除了眼前的成果，這項(xiàng)研究還為未來(lái)在 "valleytronics "領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了希望。"valleytronics "是一個(gè)利用駐留在材料不同能量谷的電子的量子特性進(jìn)行信息處理的領(lǐng)域。傳統(tǒng)方法需要與這些能谷相匹配的光，而新方法與之不同，適應(yīng)性更強(qiáng)，為開發(fā)量子設(shè)備提供了新的方向。

研究人員操縱氫化硼中量子能谷的能力可能會(huì)帶來(lái)新的設(shè)備，如超高速量子開關(guān)，它們不僅能在 0 和 1 的二進(jìn)制上運(yùn)行，還能在更復(fù)雜的量子信息環(huán)境中運(yùn)行。這將使處理和存儲(chǔ)信息的速度更快、效率更高。

合作者、LCLS 研發(fā)部主任Matthias F. Kling說(shuō)："這不僅僅是開關(guān)的問(wèn)題。這是在創(chuàng)造一種可以同時(shí)存在于多種狀態(tài)的開關(guān)，極大地增強(qiáng)了我們?cè)O(shè)備的能力和潛力。它開辟了一種在量子水平上設(shè)計(jì)材料特性的全新方法。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從量子計(jì)算到新形式的量子信息處理。”

這項(xiàng)研究還揭示了科學(xué)家與量子世界互動(dòng)和控制量子世界的基本方式。對(duì)于參與其中的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，進(jìn)入量子領(lǐng)域的旅程不僅僅是為了獲得發(fā)現(xiàn)的快感，更是為了突破可能的極限。

Biswas說(shuō)："最令人興奮的一點(diǎn)是我們的發(fā)現(xiàn)所具有的巨大潛力。我們正處于技術(shù)新時(shí)代的風(fēng)口浪尖，我們才剛剛開始探索利用量子材料的力量所能實(shí)現(xiàn)的一切。”

研究小組成員還包括來(lái)自加興馬克斯-普朗克量子光學(xué)研究所、德國(guó)慕尼黑路德維希-馬克西米利大學(xué)和西班牙馬德里材料科學(xué)研究所的研究人員。

審核編輯 黃宇