Valleytronics is een opkomend veld waarin valleien - lokale minima in de energiebandstructuur van vaste stoffen - worden gebruikt om te coderen, Verwerken, en kwantuminformatie opslaan. Hoewel men dacht dat grafeen vanwege zijn symmetrische structuur niet geschikt was voor valleytronics, onderzoekers van het Indian Institute of Technology Bombay, Indië, hebben onlangs aangetoond dat dit niet het geval is. Hun bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor kleine kwantumcomputers die op kamertemperatuur kunnen werken.

Van de kant van de consument, het is vrij gemakkelijk om de gigantische vooruitgang te zien die het gebied van elektronica de afgelopen decennia heeft gemaakt; met draagbare gadgets, slimme steden, zelfrijdende auto's, verbeterde ruimtemissies, robotten, holografie, en supercomputers, de mogelijkheden van technologische vooruitgang lijken oneindig. Echter, buiten medeweten van de meeste mensen, deze versnelde trend van technologische vooruitgang, gevoed door elektronica, komt snel tot stilstand nu elektronische componenten hun praktische limieten bereiken. Als we onze rekenkracht en capaciteit willen blijven verbeteren, we zullen nieuwe manieren moeten vinden om gegevens op te slaan en te verwerken die verder gaan dan de eenvoudige stroom en lading van elektronen, dat is hoe moderne elektronica werkt.

Dus kwantumcomputers zijn de laatste tijd een hot topic geworden. Door informatie te coderen in kwantumverschijnselen, kwantumcomputers overstijgen het binaire idee dat elk bit ofwel "0" of "1" is. In plaats daarvan, kwantumbits bestaan ​​als superposities van "0" en "1" en kunnen daarom tussenliggende waarden aannemen. Door superposities te exploiteren via zorgvuldig ontworpen algoritmen, kwantumcomputers zouden in theorie een aantal orden van grootte beter kunnen presteren dan conventionele computers in termen van snelheid. Helaas, het is moeilijk gebleken om geschikte kwantumverschijnselen te vinden om informatie bij kamertemperatuur te coderen. Bestaande computers, zoals die van Google, IBM, en Microsoft, moeten worden bewaard bij ultralage temperaturen onder -196,1 graden Celsius, waardoor ze kostbaar en onpraktisch te bedienen zijn.

Gelukkig, er is een veelbelovende aanpak voor het coderen van kwantuminformatie die actief wordt onderzocht:valleytronics. Afgezien van hun verantwoordelijkheid, elektronen hebben een andere parameter die kan worden gemanipuleerd, namelijk hun "valley pseudospin, " wat de vallei is die het elektron inneemt. Deze zogenaamde valleien zijn lokale minima in de energiebanden van vaste stoffen, die de energetische toestand en locatie van elektronen dicteren. Valleien, met hun bezettingsstaat geregeerd door de kwantummechanica, kan worden gebruikt om te coderen, Verwerken, en kwantuminformatie op te slaan bij minder beperkende temperaturen.

Onlangs, een team van wetenschappers van het Indian Institute of Technology (IIT) Bombay, Indië, en Max-Born Instituut, Duitsland, een doorbraak bereikt op het gebied van valleytronics. In hun laatste onderzoek, gepubliceerd in optiek , ze presenteren een manier om vallei-operaties uit te voeren in monolaag of ongerept grafeen, wat door andere onderzoekers in het veld als onmogelijk werd beschouwd. Als affichekind van koolstofnanomaterialen, grafeen is gemaakt van koolstofatomen in een hexagonaal patroon en heeft een overvloed aan gunstige eigenschappen. Atomair dunne lagen grafeen hebben elektronenvalleien, maar vanwege de inherente symmetrie van het materiaal, ze werden nutteloos geacht voor vallei operaties.

Ondanks de kansen, het team bedacht een strategie om de symmetrie van de grafeenvallei te doorbreken met behulp van licht. Universitair hoofddocent Gopal Dixit van IIT Bombay, die de studie leidde, legt uit:"Door de polarisatie van twee lichtstralen af ​​te stemmen op het driehoekige rooster van grafeen, we vonden het mogelijk om de symmetrie tussen twee naburige koolstofatomen te doorbreken en de elektronische bandstructuur in de regio's dicht bij de valleien te benutten, het induceren van polarisatie in de vallei." Met andere woorden, dit maakt het gebruik van de valleien van grafeen mogelijk om informatie effectief te "schrijven". Dr. Dixit benadrukt ook dat de lichtflitsen ervoor kunnen zorgen dat elektronen honderden biljoenen keren per seconde wiebelen. In theorie, hierdoor is valleytronics tegen petahertz-tarieven mogelijk, die de moderne rekensnelheid een miljoen keer overtreft.

Een van de meest aantrekkelijke aspecten van het uitvoeren van dalbewerkingen in grafeen is dat het mogelijk is om dit bij kamertemperatuur te doen. "Ons werk zou de deur kunnen openen naar miniatuur, universele kwantumcomputers die door gewone mensen kunnen worden gebruikt, net als laptops, " merkt Dr. Dixit op. Met de hogere rekensnelheden van kwantumcomputers, het zal veel sneller zijn om moleculaire simulaties uit te voeren, big data-analyse, diep leren, en andere rekenintensieve taken. Beurtelings, dit zal de ontwikkeling van nieuwe medicijnen en de opheldering van moleculaire structuren versnellen, die zullen helpen bij het zoeken naar genezing van complexe ziekten, waaronder COVID-19.