Wetenschap
Niet-vluchtig kwantumgeheugen:Discovery wijst het pad naar flash-achtig geheugen voor het opslaan van qubits
Faseveranderende materialen zijn gebruikt in commercieel verkrijgbaar niet-vluchtig digitaal geheugen. Op herschrijfbare dvd's wordt bijvoorbeeld een laser gebruikt om kleine stukjes materiaal te verwarmen, waarna ze afkoelen en kristallen of amorfe klontjes vormen. Twee fasen van het materiaal, die zeer verschillende optische eigenschappen hebben, worden gebruikt om de enen en nullen van digitale bits informatie op te slaan.
Dat blijkt uit een open-accessonderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Nature Communications Rijstfysicus Ming Yi en meer dan drie dozijn co-auteurs van een tiental instellingen lieten op vergelijkbare wijze zien dat ze warmte konden gebruiken om een kristal van ijzer, germanium en tellurium tussen twee elektronische fasen te laten schakelen. In elk van deze produceert de beperkte beweging van elektronen topologisch beschermde kwantumtoestanden. Uiteindelijk zou het opslaan van qubits in topologisch beschermde staten mogelijk de decoherentiegerelateerde fouten kunnen verminderen die kwantumcomputers teisteren.
"Dit kwam volledig als een verrassing", zei Yi over de ontdekking. "We waren aanvankelijk geïnteresseerd in dit materiaal vanwege de magnetische eigenschappen. Maar dan voerden we een meting uit en zagen we deze ene fase, en voor een andere meting zouden we de andere zien. Nominaal was het hetzelfde materiaal, maar de resultaten waren zeer anders."
Het kostte meer dan twee jaar en samenwerking met tientallen collega's om te ontcijferen wat er in de experimenten gebeurde. De onderzoekers ontdekten dat sommige kristalmonsters sneller waren afgekoeld dan andere toen ze voorafgaand aan de experimenten werden verwarmd.
In tegenstelling tot de materialen die in de meeste faseveranderende geheugentechnologie worden gebruikt, ontdekten Yi en collega's dat de ijzer-germanium-telluriumlegering niet hoefde te worden gesmolten en herkristalliseerd om van fase te veranderen. In plaats daarvan ontdekten ze dat lege atomaire locaties in het kristalrooster, bekend als vacatures, in verschillend geordende patronen waren gerangschikt, afhankelijk van hoe snel het kristal afkoelde. Om van de ene patroonfase naar de andere over te schakelen, lieten ze zien dat ze het kristal eenvoudigweg konden opwarmen en afkoelen voor langere of kortere tijd.
"Als je de volgorde van leegstand in een materiaal wilt veranderen, gebeurt dat doorgaans bij veel lagere temperaturen dan wanneer je alles zou moeten smelten", zegt Yi.
Ze zei dat weinig studies hebben onderzocht hoe de topologische eigenschappen van kwantummaterialen veranderen als reactie op veranderingen in de volgorde van vacatures.
"Dat is de belangrijkste bevinding", zei ze over de verwisselbare vacaturevolgorde van het materiaal. "Het idee om de vacaturevolgorde te gebruiken om de topologie te controleren is het belangrijkste. Dat is nog niet echt onderzocht. Mensen hebben over het algemeen alleen naar materialen gekeken vanuit een volledig stoichiometrisch perspectief, wat betekent dat alles bezig is met een vaste reeks symmetrieën die leiden tot Eén soort elektronische topologie. Veranderingen in de vacaturevolgorde veranderen de roostersymmetrie. Dit werk laat zien hoe dat de elektronische topologie kan veranderen. En het lijkt waarschijnlijk dat de vacaturevolgorde ook kan worden gebruikt om topologische veranderingen in andere materialen teweeg te brengen>
Rijsttheoretisch natuurkundige Qimiao Si, een co-auteur van de studie, zei:"Ik vind het verbazingwekkend dat mijn experimentele collega's in een handomdraai een verandering in de kristallijne symmetrie kunnen regelen. Het maakt een volkomen onverwachte en toch volledig welkome schakelcapaciteit voor theorie mogelijk. en we proberen nieuwe vormen van topologie te ontwerpen en te controleren door de samenwerking van sterke correlaties en ruimtegroepsymmetrie."
De hoofdauteurs van de studie zijn Han Wu en Lei Chen, beiden van Rice. Andere co-auteurs van Rice zijn onder meer Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han en Si. Yi, Dai, Han, Kono en Si zijn elk lid van het Rice Quantum Initiative en het Rice Center for Quantum Materials.
De studie is mede geschreven door onderzoekers van de Universiteit van Washington, het Los Alamos National Laboratory, de Zuid-Koreaanse Kyung Hee Universiteit, de Universiteit van Pennsylvania, Yale University, de University of California Davis, Cornell University, de University of California Berkeley, de Stanford University. Linear Accelerator Center National Accelerator Laboratory, Brookhaven National Laboratory en Lawrence Berkeley National Laboratory.