Wetenschappers van Ames Laboratory, Brookhaven Nationaal Laboratorium, en de Universiteit van Alabama Birmingham hebben een door licht geïnduceerd schakelmechanisme ontdekt in een Dirac-halfmetaal. Het mechanisme creëert een nieuwe manier om het topologische materiaal te controleren, aangedreven door heen en weer beweging van atomen en elektronen, die topologische transistor- en kwantumberekeningen mogelijk maken met behulp van lichtgolven.

Net zoals de hedendaagse transistors en fotodiodes meer dan een halve eeuw geleden vacuümbuizen vervingen, wetenschappers zoeken naar een vergelijkbare sprong voorwaarts in ontwerpprincipes en nieuwe materialen om kwantumcomputermogelijkheden te bereiken. De huidige rekencapaciteit staat voor enorme uitdagingen op het gebied van complexiteit, energieverbruik, en snelheid; om de fysieke limieten te overschrijden die worden bereikt naarmate elektronica en chips heter en sneller worden, grotere vorderingen nodig zijn. Vooral op kleine schaal, dergelijke problemen zijn grote obstakels geworden voor het verbeteren van de prestaties.

"Lichtgolf topologische engineering probeert al deze uitdagingen te overwinnen door kwantumperiodieke beweging aan te sturen om elektronen en atomen te leiden via nieuwe vrijheidsgraden, d.w.z., topologie, en overgangen induceren zonder verwarming op ongekende terahertz-frequenties, gedefinieerd als een biljoen cycli per seconde, kloksnelheden, " zei Jigang Wang, een senior wetenschapper bij Ames Laboratory en hoogleraar natuurkunde aan de Iowa State University. "Dit nieuwe coherente regelprincipe staat in schril contrast met alle tot nu toe gebruikte evenwichtsafstemmingsmethoden, zoals elektrische, magnetische en spanningsvelden, die veel lagere snelheden en hogere energieverliezen hebben."

Brede toepassing van nieuwe computationele principes, zoals kwantumcomputers, vereist het bouwen van apparaten waarin fragiele kwantumtoestanden worden beschermd tegen hun lawaaierige omgevingen. Een benadering is door de ontwikkeling van topologische kwantumberekening, waarin qubits zijn gebaseerd op "symmetrie-beschermde" quasideeltjes die immuun zijn voor ruis.

Echter, wetenschappers die deze topologische materialen bestuderen, staan ​​​​voor een uitdaging:hoe ze dit unieke kwantumgedrag kunnen vaststellen en behouden op een manier die toepassingen zoals kwantumcomputing mogelijk maakt. In dit experiment, Wang en zijn collega's demonstreerden die controle door licht te gebruiken om kwantumtoestanden in een Dirac-halfmetaal te sturen, een exotisch materiaal dat extreme gevoeligheid vertoont vanwege de nabijheid van een breed scala aan topologische fasen.

"We hebben dit bereikt door een nieuw licht-kwantum-regelprincipe toe te passen dat bekend staat als mode-selectieve Raman-fonon coherente oscillaties - die periodieke bewegingen van atomen rond de evenwichtspositie aansturen met behulp van korte lichtpulsen, " zegt Ilias Perakis, hoogleraar natuurkunde en leerstoel aan de Universiteit van Alabama in Birmingham. "Deze aangedreven kwantumfluctuaties veroorzaken overgangen tussen elektronische toestanden met verschillende hiaten en topologische volgorden."

Een analogie van dit soort dynamisch schakelen is de periodiek aangedreven Kapitza's slinger, die kan overgaan naar een omgekeerde maar stabiele positie wanneer hoogfrequente trillingen worden toegepast. Het werk van de onderzoeker laat zien dat dit klassieke regelprincipe - materialen naar een nieuwe stabiele toestand sturen die normaal niet wordt gevonden - verrassend toepasbaar is op een breed scala aan topologische fasen en kwantumfase-overgangen.

"Ons werk opent een nieuwe arena van lichtgolf topologische elektronica en faseovergangen gecontroleerd door kwantumcoherentie, " zegt Qiang Li, Groepsleider van de Brookhaven National Laboratory's Advanced Energy Materials Group. "Dit zal nuttig zijn bij de ontwikkeling van toekomstige kwantumcomputerstrategieën en elektronica met hoge snelheid en een laag energieverbruik."

De spectroscopie en data-analyse werden uitgevoerd in het Ames Laboratory. Modelbouw en analyse werden gedeeltelijk uitgevoerd aan de Universiteit van Alabama, Birmingham. Monsterontwikkeling en magnetotransportmetingen werden uitgevoerd in Brookhaven National Laboratory. Functionele dichtheidsberekeningen werden ondersteund door het Center for the Advancement of Topological Semimetals, een DOE Energy Frontier Research Center bij Ames Laboratory.

Het onderzoek wordt verder besproken in de paper, "Lichtgestuurde Raman-coherentie als een niet-thermische route naar ultrasnelle topologieschakeling in een Dirac-halfmetaal, " geschreven door C. Vaswani, NS. Wang, DH Mudiyanselage, Q.Li, PM Lozano, G. Gu, D. Cheng, B. Lied, L. Luo, R.H.J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, D.W.Z. Perakis, Y. Yao, KM Ho, en J. Wang; en gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .