Onderzoekers van de Universiteit van Nebraska-Lincoln en de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een nieuw fotonisch apparaat ontwikkeld dat wetenschappers dichter bij de "heilige graal" kan brengen om het wereldwijde minimum aan wiskundige formuleringen bij kamertemperatuur te vinden. Het vinden van die illusoire wiskundige waarde zou een grote vooruitgang zijn bij het openen van nieuwe opties voor simulaties met kwantummaterialen.

Veel wetenschappelijke vragen zijn sterk afhankelijk van het kunnen vinden van die wiskundige waarde, zei Wei Bao, assistent-professor elektrische en computertechnologie in Nebraska. Het zoeken kan zelfs voor moderne computers een uitdaging zijn, vooral wanneer de afmetingen van de parameters - die vaak worden gebruikt in de kwantumfysica - extreem groot zijn.

Tot nu toe konden onderzoekers dit alleen doen met apparaten voor polaritonoptimalisatie bij extreem lage temperaturen, rond de min 270 graden Celsius. Bao zei dat het Nebraska-UC Berkeley-team "een manier heeft gevonden om de voordelen van licht en materie bij kamertemperatuur te combineren die geschikt is voor deze grote optimalisatie-uitdaging."

De apparaten maken gebruik van quasi-deeltjes van kwantumhalflicht en halfmaterie die bekend staan ​​als exciton-polaritons, die onlangs naar voren kwamen als een analoog fotonisch simulatieplatform in vaste toestand voor kwantumfysica zoals Bose-Einstein-condensatie en complexe XY-spinmodellen.

"Onze doorbraak wordt mogelijk gemaakt door in oplossing gekweekte halide-perovskiet, een beroemd materiaal voor zonnecelgemeenschappen, te gebruiken en te kweken onder nano-opsluiting," zei Bao. "Dit zal uitzonderlijk gladde monokristallijne grote kristallen produceren met een grote optische homogeniteit, eerder nooit gerapporteerd bij kamertemperatuur voor een polaritonsysteem."

Bao is de corresponderende auteur van een artikel over dit onderzoek, gepubliceerd in Nature Materials .

"Dit is opwindend", zegt Xiang Zhang, Bao's medewerker, nu president van Hong Kong University, maar die dit onderzoek voltooide als lid van de faculteit werktuigbouwkunde aan UC Berkeley. "We laten zien dat XY-spinrooster met een groot aantal coherent gekoppelde condensaten kan worden geconstrueerd als een rooster met een grootte tot 10×10."

De materiaaleigenschappen ervan kunnen ook toekomstige studies bij kamertemperatuur mogelijk maken in plaats van bij ultrakoude temperaturen. Bao zei:"We zijn net begonnen met het verkennen van het potentieel van een kamertemperatuursysteem voor het oplossen van complexe problemen. Ons werk is een concrete stap in de richting van het lang gezochte platform voor kwantumsimulatie in vaste toestand bij kamertemperatuur.

"De oplossingssynthesemethode die we hebben gerapporteerd met uitstekende diktecontrole voor grote ultrahomogene halogenide-perovskiet kan veel interessante studies bij kamertemperatuur mogelijk maken, zonder de noodzaak van gecompliceerde en dure apparatuur en materialen," voegde Bao eraan toe. Het opent ook de deur voor het simuleren van grote rekenmethoden en vele andere apparaattoepassingen, die voorheen ontoegankelijk waren bij kamertemperatuur.

Dit proces is essentieel in het zeer competitieve tijdperk van kwantumtechnologieën, die naar verwachting de gebieden van informatieverwerking, detectie, communicatie, beeldvorming en meer zullen transformeren.

Nebraska heeft kwantumwetenschap en -engineering prioriteit gegeven als een van zijn grote uitdagingen. Het werd een onderzoeksprioriteit genoemd vanwege de expertise van de universiteit op dit gebied en de impact die het onderzoek kan hebben op het spannende en veelbelovende veld. + Verder verkennen

Kwantumsensoren verbeteren door de oriëntatie van coherente spins in een diamantrooster te meten