과학자 팀이 빛의 구조를 활용하여 양자 물질의 특성을 비틀고 조정하는 방법을 개발했습니다. 그들의 결과는 오늘 발표되었습니다. 자연, 차세대 양자 전자, 양자 컴퓨팅 및 정보 발전의 길을 열다 technology.
에너지부 산하 SLAC 국립 가속기 연구소와 스탠포드 대학의 연구원들이 이끄는 팀은 이 방법을 육각형 질화붕소(hBN)라고 알려진 물질에 적용했습니다. hBN은 독특한 특성을 지닌 벌집 패턴으로 배열된 원자의 단일 층입니다. 양자 조작에 적합합니다. 실험에서 과학자들은 전기장이 개미새처럼 보이는 특별한 종류의 빛을 사용하여 초고속 시간 규모의 양자 수준에서 물질의 동작을 변경하고 제어했습니다.
또한 광파가 비틀리는 방식을 통해 연구자들은 물질의 양자 특성, 즉 전기와 데이터 흐름에 필수적인 전자의 행동을 결정하는 규칙을 정확하게 제어할 수 있습니다. 필요에 따라 양자 특성을 제어하는 이러한 능력은 미래 기술을 위한 초고속 양자 스위치를 만드는 길을 열어줄 수 있습니다.
연구를 주도한 SLAC 및 스탠포드 대학의 과학자 Shubhadeep Biswas는 "우리의 작업은 양자 세계에 속삭이는 새로운 방법을 찾아 그 비밀을 우리에게 공개하는 것과 비슷합니다"라고 말했습니다.
전통적인 기술에서는 빛이 재료와 함께 작동하기 위해 적절한 에너지를 가져야 하는 경우가 많으며, 이 새로운 접근 방식은 이러한 한계를 교묘하게 우회합니다. 특별한 종류의 빛을 사용하고 그 패턴을 재료의 패턴과 일치하도록 조정함으로써 과학자들은 자연적 특성에 제약을 받지 않고 재료를 새로운 구성으로 만들 수 있습니다.
“이 구조화된 조명은 단지 재료를 조명하는 것이 아닙니다. 그것은 우리가 제어할 수 있는 방식으로 필요에 따라 양자 특성을 변경하면서 주위를 비틀어 줍니다.”라고 Biswas는 말했습니다.
이러한 유연성으로 인해 이 방법은 광범위한 응용 분야에서 작동할 수 있어 새로운 기술을 보다 쉽게 개발할 수 있습니다. 본질적으로 팀은 전자가 새롭고 제어 가능한 방식으로 움직이는 조건을 만들었습니다. 예를 들어, 이는 오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터보다 훨씬 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 양자 컴퓨터용 초고속 스위치 개발로 이어질 수 있습니다.
즉각적인 결과 외에도, 이 연구는 정보 처리를 위해 재료의 다양한 에너지 밸리에 존재하는 전자의 양자 특성을 활용하는 분야인 "밸리트로닉스(valleytronics)" 영역에서 향후 응용 가능성을 제시합니다. 이러한 에너지 밸리에 일치하는 빛이 필요한 기존 접근 방식과 달리, 새로운 방법은 적응성이 뛰어나 양자 장치 개발에 새로운 방향을 제시합니다.
hBN의 양자 밸리를 조작하는 연구원의 능력은 0과 1의 이진수뿐만 아니라 더 복잡한 양자 정보 환경에서도 작동하는 초고속 양자 스위치와 같은 새로운 장치로 이어질 수 있습니다. 이를 통해 정보를 더 빠르고 효율적으로 처리하고 저장할 수 있습니다.
LCLS의 R&D 부문 이사인 Matthias F. Kling은 “단순히 스위치를 켜고 끄는 것이 아닙니다.”라고 말했습니다. “한 번에 여러 상태로 존재할 수 있는 스위치를 만들어 장치의 성능과 잠재력을 크게 높이는 것입니다. 이는 양자 수준에서 재료의 특성을 엔지니어링하는 완전히 새로운 방법을 열어줍니다. 잠재적인 응용 분야는 양자 컴퓨팅부터 새로운 형태의 양자 정보 처리에 이르기까지 광범위합니다.”
이 연구는 또한 과학자들이 양자 세계와 상호 작용하고 제어할 수 있는 근본적인 방법에 대해 조명합니다. 관련된 과학자들에게 양자 영역으로의 이 여행은 발견의 스릴뿐 아니라 가능한 것의 경계를 넓히는 것에 관한 것입니다.
Biswas는 "가장 흥미로운 측면 중 하나는 우리 연구 결과의 엄청난 잠재력입니다."라고 말했습니다. "우리는 기술의 새로운 시대를 앞두고 있으며, 양자 물질의 힘을 활용하면 무엇이 가능한지 탐구하기 시작했습니다."
이 팀에는 Garching에 위치한 Max Planck Institute of Quantum Optics의 연구원도 포함되었습니다. 독일의 Ludwig-Maximilians-Universitat 뮌헨; 스페인의 Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid.