Физики из Калифорнийского университета в Ирвайне и других местах изготовили новые двумерные квантовые материалы с революционными электрическими и магнитными характеристиками, которые могут стать строительными блоками будущих квантовых компьютеров и другой передовой электроники.
В трех отдельных исследованиях, опубликованных в этом месяце в журналах Nature, Science Advances и Nature Materials, исследователи UCI и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Принстонского университета, Университета Фудань и Университета Мэриленда исследовали физику, лежащую в основе 2 -D состояния новых материалов и решили, что они могут вывести компьютеры на новый уровень скорости и мощности.
Общие темы, проходящие через документы, заключаются в том, что исследование проводится при экстремально низких температурах и что носителями сигнала во всех трех исследованиях являются не электроны, как в традиционных технологиях на основе кремния, а фермионы Дирака или Майораны, частицы. без массы, которые движутся почти со скоростью света.
«Наконец-то мы можем взять экзотические, высокотехнологичные теории в физике и сделать что-то полезное», - сказал доцент кафедры физики и астрономии UCI Цзин Ся, соавтор двух исследований. «Мы изучаем возможность создания топологических квантовых компьютеров [в настоящее время теоретических] в течение следующих 100 лет».
Одной из ключевых задач таких исследований является обработка и анализ мельчайших образцов материала толщиной всего в два атома, длиной в несколько микрон и шириной в несколько микрон. Лаборатория Ся в UCI оснащена созданным им оптоволоконным интерферометром Саньяка. (Единственный другой существующий находится в Стэнфордском университете, собранный Ся, когда он был там аспирантом.) Называя его самым чувствительным магнитным микроскопом в мире, Ся сравнивает его с телескопом, который орнитолог из Ирвина мог бы использовать для осмотра глаза птицы в Нью-Йорке.
«Эта машина является идеальным измерительным инструментом для этих открытий», - сказал аспирант UCI Алекс Стерн, ведущий автор двух статей. «Это самый точный способ оптического измерения магнетизма в материале».
В исследовании, которое будет опубликовано 24 апреля в журнале Nature, исследователи подробно описывают свое наблюдение - с помощью интерферометра Саньяка - магнетизма в микроскопических чешуйках теллурида хрома и германия. Соединение, которое они создали, рассматривалось при температуре минус 387 градусов по Фаренгейту. CGT - двоюродный брат графена, сверхтонкая атомарная углеродная пленка. С момента своего открытия графен считался потенциальной заменой кремния в компьютерах и других устройствах следующего поколения из-за скорости, с которой электронные сигналы распространяются по его почти идеально плоской поверхности.
Но есть одна загвоздка: некоторые компьютерные компоненты, такие как память и системы хранения данных, должны быть изготовлены из материалов, обладающих как электронными, так и магнитными свойствами. У графена есть первое, но нет второго. У CGT есть и то и другое.
Его лаборатория также использовала интерферометр Саньяка для исследования, опубликованного в журнале Science Advances, в котором изучалось, что происходит в тот самый момент, когда висмут и никель соприкасаются друг с другом - опять же при очень низкой температуре (в данном случае минус 452 градусов по Фаренгейту). Ся сказал, что его команда обнаружила на границе раздела двух металлов «экзотический сверхпроводник, который нарушает симметрию обращения времени».
«Представьте, что вы поворачиваете время вспять, и чашка красного чая становится зеленой. Разве это не делает этот чай очень экзотическим? Это действительно экзотика для сверхпроводников», - сказал он. «И это впервые наблюдается в двумерных материалах».
Переносчиками сигнала в этом двумерном сверхпроводнике являются майорановские фермионы, которые можно использовать для операции плетения, которая, по мнению теоретиков, жизненно важна для квантовых вычислений.
«Теперь проблема заключается в том, чтобы попытаться добиться этого при нормальных температурах», - сказал Ся. Третье исследование обещает преодолеть это препятствие.
В 2012 году лаборатория Ся передала Агентству перспективных исследовательских проектов Министерства обороны радиочастотный генератор, построенный на основе гексаборида самария. Вещество является изолятором внутри, но позволяет току, несущему сигнал, состоящему из фермионов Дирака, свободно течь по его двумерной поверхности.
Используя специальный аппарат, построенный в лаборатории Xia, которая также является одной из двух в мире, исследователи UCI применили растяжение к образцу гексаборида самария и продемонстрировали в исследовании Nature Materials, что они могут стабилизировать двумерную поверхность. состояние при минус 27 градусах по Фаренгейту.
«Верите или нет, но здесь жарче, чем в некоторых частях Канады», - пошутил Ся. «Эта работа - большой шаг к разработке будущих квантовых компьютеров почти при комнатной температуре».