Nieuw onderzoek naar tweedimensionaal wolfraamdisulfide (WS ₂ ) zou de deur kunnen openen naar vooruitgang in kwantumcomputing.

In een paper gepubliceerd op 13 september in Natuurcommunicatie , wetenschappers melden dat ze de elektronische eigenschappen van dit superdunne materiaal kunnen manipuleren op manieren die nuttig kunnen zijn voor het coderen van kwantumgegevens.

De studie gaat over WS ₂ 's energie valleien, welke Universiteit van Buffalo, natuurkundige Hao Zeng, mede-hoofdauteur van het artikel, beschrijft als "de lokale energie-extrema van de elektronische structuur in een kristallijne vaste stof."

Valleien corresponderen met specifieke energieën die elektronen in een materiaal kunnen hebben, en de aanwezigheid van een elektron in de ene vallei versus de andere kan worden gebruikt om informatie te coderen. Een elektron in één vallei kan een 1 in binaire code vertegenwoordigen, terwijl een elektron in de andere een 0 kan vertegenwoordigen.

Het vermogen om te bepalen waar elektronen kunnen worden gevonden, zou kunnen leiden tot vooruitgang in kwantumcomputers, het maken van qubits mogelijk maken, de basiseenheid van kwantuminformatie. Qubits hebben de mysterieuze kwaliteit dat ze niet alleen in een staat van 1 of 0 kunnen bestaan, maar in een "superpositie" die verband houdt met beide staten.

Het artikel in Nature Communications markeert een stap in de richting van deze toekomstige technologieën, demonstreren van een nieuwe methode voor het manipuleren van valleistaten in WS ₂ .

Zeng, doctoraat, hoogleraar natuurkunde aan het UB College of Arts and Sciences, leidde het project met Athos Petrou, doctoraat, UB Distinguished Professor of Physics, en Renat Sabirianov, doctoraat, leerstoel natuurkunde aan de Universiteit van Nebraska Omaha. Andere co-auteurs waren onder meer UB-studenten natuurkunde Tenzin Norden, Chuan Zhao en Peiyao Zhang. Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation.

De energiedalen van wolfraamdisulfide verschuiven

Tweedimensionaal wolfraamdisulfide is een enkele laag van het materiaal dat drie atomen dik is. In deze configuratie, WS ₂ heeft twee energievalleien, beide met dezelfde energie.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat het toepassen van een magnetisch veld de energie van de valleien in tegengestelde richtingen kan verschuiven, het verlagen van de energie van een vallei om het "dieper" en aantrekkelijker voor elektronen te maken, terwijl de energie van de andere vallei wordt verhoogd om het "ondieper, ' zegt Zeng.

"We laten zien dat de verschuiving in de energie van de twee valleien met twee ordes van grootte kan worden vergroot als we een dunne laag magnetisch europiumsulfide onder het wolfraamdisulfide plaatsen, Zegt Zeng. "Als we dan een magnetisch veld van 1 Tesla aanleggen, we zijn in staat om een ​​enorme verschuiving in de energie van de valleien te bereiken - gelijk aan wat we zouden hopen te bereiken door een magnetisch veld van ongeveer honderd Tesla aan te leggen als het europiumsulfide niet aanwezig was."

"De grootte van het effect was erg groot - het was alsof je een magnetische veldversterker gebruikte, "Zegt Petrou. "Het was zo verrassend dat we het meerdere keren moesten controleren om er zeker van te zijn dat we geen fouten maakten."

Het eindresultaat? Het vermogen om elektronen in de valleien te manipuleren en te detecteren is aanzienlijk verbeterd, kwaliteiten die de controle van qubits voor quantum computing zouden kunnen vergemakkelijken.

Valley-staten als qubits voor kwantumcomputers

Net als andere vormen van quantum computing, op valleien gebaseerde kwantumcomputing zou vertrouwen op de eigenzinnige eigenschappen van subatomaire deeltjes - in dit geval elektronen - om krachtige berekeningen uit te voeren.

Elektronen gedragen zich op manieren die misschien vreemd lijken - ze kunnen op meerdere plaatsen tegelijk zijn, bijvoorbeeld. Als resultaat, 1 en 0 zijn niet de enige mogelijke toestanden in systemen die elektronen in valleien als qubits gebruiken. Een qubit kan zich ook in elke superpositie van deze toestanden bevinden, waardoor kwantumcomputers veel mogelijkheden tegelijk kunnen verkennen, zegt Zeng.

"Dit is de reden waarom quantum computing zo krachtig is voor bepaalde speciale taken, Zeng zegt. "Vanwege de probabilistische en willekeurige aard van kwantumcomputers, het is bijzonder geschikt voor toepassingen zoals kunstmatige intelligentie, cryptografie, financiële modellering en kwantummechanische simulaties voor het ontwerpen van betere materialen. Echter, veel obstakels moeten worden overwonnen, en we zijn waarschijnlijk nog vele jaren verwijderd als schaalbare universele kwantumcomputing ooit werkelijkheid wordt."

De nieuwe studie bouwt voort op het eerdere werk van Zeng en Petrou, waarin ze europiumsulfide en magnetische velden gebruikten om de energie van twee valleien in een ander 2D-materiaal te veranderen:wolfraamdiselenide (WSe ₂ ).

Hoewel WS ₂ en WSe ₂ Zijn hetzelfde, ze reageerden anders op de oefening "valley splitsen". In WS ₂ , de vallei die "dieper" werd, was analoog aan de vallei in WSe ₂ dat werd "ondieper, " en vice versa, het creëren van mogelijkheden om te onderzoeken hoe dit onderscheid flexibiliteit kan bieden bij toepassingen van de technologie.

Een kenmerk dat beide materialen delen, kan kwantumcomputing ten goede komen:in beide WS ₂ en WSe ₂ , elektronen die de twee energievalleien bevolken hebben tegengestelde spins, een vorm van impulsmoment. Hoewel deze eigenschap niet nodig is voor het maken van een qubit, het "biedt een zekere bescherming van de kwantumtoestanden, waardoor ze robuuster worden, ' zegt Zeng.