Wetenschappers over de hele wereld ontwikkelen nieuwe hardware voor kwantumcomputers, een nieuw type apparaat dat het medicijnontwerp zou kunnen versnellen, financiële modellering, en weersvoorspelling. Deze computers zijn afhankelijk van qubits, stukjes materie die tegelijkertijd een combinatie van 1 en 0 kunnen vertegenwoordigen. Het probleem is dat qubits wispelturig zijn, degraderen in regelmatige bits wanneer interacties met omringende materie interfereren. Maar nieuw onderzoek aan het MIT suggereert een manier om hun staten te beschermen, met behulp van een fenomeen dat veellichaamslokalisatie (MBL) wordt genoemd.

MBL is een eigenaardige fase van materie, decennia geleden voorgesteld, dat is anders dan vast of vloeibaar. Typisch, materie komt tot thermisch evenwicht met zijn omgeving. Daarom koelt soep af en smelten ijsblokjes. Maar in MBL, een object dat bestaat uit vele sterk op elkaar inwerkende lichamen, zoals atomen, nooit zo'n evenwicht bereikt. Warmte, zoals geluid, bestaat uit collectieve atomaire trillingen en kan in golven reizen; een object heeft altijd zulke hittegolven intern. Maar als er genoeg wanorde is en genoeg interactie in de manier waarop de atomen zijn gerangschikt, de golven kunnen vast komen te zitten, waardoor het object niet in evenwicht kan komen.

MBL was aangetoond in "optische roosters, " arrangementen van atomen bij zeer lage temperaturen die op hun plaats worden gehouden met behulp van lasers. Maar dergelijke opstellingen zijn onpraktisch. MBL was ook aantoonbaar aangetoond in vaste systemen, maar alleen met een zeer langzame temporele dynamiek, waarin het bestaan ​​van de fase moeilijk te bewijzen is omdat het evenwicht zou kunnen worden bereikt als onderzoekers lang genoeg zouden wachten. Het MIT-onderzoek vond een handtekening van MBL in een "solid-state" systeem - een systeem gemaakt van halfgeleiders - dat anders in evenwicht zou zijn gekomen in de tijd dat het werd bekeken.

"Het zou een nieuw hoofdstuk kunnen openen in de studie van kwantumdynamica, " zegt Rahul Nandkishore, een natuurkundige aan de Universiteit van Colorado in Boulder, die niet bij het werk betrokken was.

Mingda Li, de Norman C Rasmussen assistent-professor Nuclear Science and Engineering aan het MIT, leidde de nieuwe studie, gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters . De onderzoekers bouwden een systeem met afwisselende halfgeleiderlagen, het creëren van een microscopisch kleine lasagne - aluminiumarsenide, gevolgd door galliumarsenide, enzovoort, voor 600 lagen, elk 3 nanometer (miljoensten van een millimeter) dik. Tussen de lagen verspreidden ze "nanodots, " 2 nanometer deeltjes erbiumarsenide, wanorde te creëren. de lasagne, of "superrooster, " kwam in drie recepten:een zonder nanodots, een waarin nanodots 8 procent van het oppervlak van elke laag bedekten, en een waarin ze 25 procent bedekten.

Volgens Li, het team gebruikte lagen materiaal, in plaats van een bulkmateriaal, om het systeem te vereenvoudigen, zodat de warmteafvoer over de vlakken in wezen eendimensionaal was. En ze gebruikten nanodots, in plaats van louter chemische onzuiverheden, om de stoornis op te krikken.

Om te meten of deze verstoorde systemen nog steeds in evenwicht zijn, de onderzoekers maten ze met röntgenstralen. Met behulp van de Advanced Photon Source bij Argonne National Lab, ze schoten stralingsbundels af met een energie van meer dan 20, 000 elektronvolt, en om het energieverschil op te lossen tussen de inkomende röntgenstraling en na de reflectie ervan op het oppervlak van het monster, met een energieresolutie van minder dan een duizendste van een elektronvolt. Om te voorkomen dat het superrooster binnendringt en het onderliggende substraat raakt, ze schoten het onder een hoek van slechts een halve graad parallel.

Net zoals licht kan worden gemeten als golven of deeltjes, dus ook kan verwarmen. De collectieve atomaire trilling voor warmte in de vorm van een warmtedragende eenheid wordt een fonon genoemd. Röntgenstralen interageren met deze fononen, en door te meten hoe röntgenstralen weerkaatsen op het monster, de onderzoekers kunnen bepalen of het in evenwicht is.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer het superrooster koud was - 30 kelvin, ongeveer -400 graden Fahrenheit - en het bevatte nanodots, zijn fononen bij bepaalde frequenties bleven niet in evenwicht.

Er is nog meer werk om afdoende te bewijzen dat MBL is bereikt, maar "deze nieuwe kwantumfase kan een heel nieuw platform openen om kwantumverschijnselen te onderzoeken, "Li zegt, "met veel potentiële toepassingen, van thermische opslag tot kwantumcomputing."

Om qubits te maken, sommige kwantumcomputers gebruiken stofdeeltjes die kwantumstippen worden genoemd. Li zegt dat kwantumdots vergelijkbaar met Li's nanodots als qubits kunnen werken. Magneten kunnen hun kwantumtoestanden lezen of schrijven, terwijl de lokalisatie van veel lichamen ze geïsoleerd zou houden van hitte en andere omgevingsfactoren.

Op het gebied van thermische opslag, zo'n superrooster kan in en uit een MBL-fase schakelen door de nanodots magnetisch te regelen. Het kan computeronderdelen op een bepaald moment tegen hitte isoleren, laat onderdelen vervolgens warmte verspreiden wanneer dit geen schade aanricht. Of het kan ervoor zorgen dat er warmte wordt opgebouwd en later wordt gebruikt voor het opwekken van elektriciteit.

handig, superroosters met nanodots kunnen worden geconstrueerd met behulp van traditionele technieken voor het vervaardigen van halfgeleiders, naast andere elementen van computerchips. Volgens Li, "Het is een veel grotere ontwerpruimte dan bij chemische doping, en er zijn talloze toepassingen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.