Los científicos del Laboratorio Ames, el Laboratorio Nacional Brookhaven y la Universidad de Alabama Birmingham han descubierto un mecanismo de conmutación inducido por la luz en un semimetal Dirac. El mecanismo establece una nueva forma de controlar el material topológico, impulsado por el movimiento de ida y vueltade átomos y electrones, lo que permitirá el transistor topológico y la computación cuántica utilizando ondas de luz.
Al igual que los transistores y fotodiodos de hoy reemplazaron los tubos de vacío hace más de medio siglo, los científicos están buscando un salto similar en los principios de diseño y materiales novedosos para lograr capacidades de computación cuántica. La capacidad de computación actual enfrenta enormes desafíos en términos de complejidad,consumo de energía y velocidad; para superar los límites físicos alcanzados a medida que la electrónica y los chips se calientan más y más rápido, se necesitan mayores avances. Particularmente a pequeñas escalas, estos problemas se han convertido en obstáculos importantes para mejorar el rendimiento.
"La ingeniería topológica de ondas de luz busca superar todos estos desafíos impulsando el movimiento periódico cuántico para guiar electrones y átomos a través de nuevos grados de libertad, es decir, topología, e inducir transiciones sin calentamiento a frecuencias de terahercios sin precedentes, definidas como un billón de ciclos porsegundo, las frecuencias de reloj ", dijo Jigang Wang, científico principal del Laboratorio Ames y profesor de física en la Universidad Estatal de Iowa." Este nuevo principio de control coherente contrasta con cualquier método de ajuste de equilibrio utilizado hasta ahora, como el eléctrico, el magnético ycampos de tensión, que tienen velocidades mucho más lentas y mayores pérdidas de energía "
La adopción a gran escala de nuevos principios computacionales, como la computación cuántica, requiere construir dispositivos en los que los estados cuánticos frágiles estén protegidos de sus entornos ruidosos. Un enfoque es a través del desarrollo de la computación cuántica topológica, en la que los qubits se basan en la "simetría"cuasipartículas protegidas" que son inmunes al ruido.
Sin embargo, los científicos que estudian estos materiales topológicos enfrentan un desafío: cómo establecer y mantener el control de estos comportamientos cuánticos únicos de una manera que hace posible aplicaciones como la computación cuántica. En este experimento, Wang y sus colegas demostraron ese control mediante el usoluz para dirigir estados cuánticos en un semimetal Dirac, un material exótico que exhibe una sensibilidad extrema debido a su proximidad a una amplia gama de fases topológicas.
"Logramos esto mediante la aplicación de un nuevo principio de control cuántico de luz conocido como oscilaciones coherentes de fonón Raman selectivas de modo: impulsando movimientos periódicos de átomos sobre la posición de equilibrio utilizando pulsos de luz cortos", dice Ilias Perakis, profesor de física ypresidente de la Universidad de Alabama en Birmingham. "Estas fluctuaciones cuánticas conducidas inducen transiciones entre estados electrónicos con diferentes brechas y órdenes topológicos".
Una analogía de este tipo de conmutación dinámica es el péndulo de Kapitza accionado periódicamente, que puede pasar a una posición invertida pero estable cuando se aplica vibración de alta frecuencia. El trabajo del investigador muestra que este principio de control clásico: conducir materiales a un nuevocondición estable que no se encuentra normalmente: es sorprendentemente aplicable a una amplia gama de fases topológicas y transiciones de fase cuántica.
"Nuestro trabajo abre un nuevo escenario de electrónica topológica de onda de luz y transiciones de fase controladas por coherencia cuántica", dice Qiang Li, líder del grupo del Grupo de Materiales de Energía Avanzada del Laboratorio Nacional Brookhaven. "Esto será útil en el desarrollo del futuro cuánticoestrategias informáticas y electrónica con alta velocidad y bajo consumo de energía ".
La espectroscopía y el análisis de datos se realizaron en el Laboratorio Ames. La construcción y el análisis de modelos se realizaron parcialmente en la Universidad de Alabama, Birmingham. El desarrollo de muestras y las mediciones de transporte magnético se realizaron en el Laboratorio Nacional Brookhaven. El Centro apoyó los cálculos funcionales de densidadpara el avance de los semimetales topológicos, un DOE Energy Frontier Research Center en el Laboratorio Ames.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Ames . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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