Satu pasukan saintis telah membangunkan kaedah yang memanfaatkan struktur cahaya untuk memutar dan mengubah sifat bahan kuantum. Keputusan mereka, diterbitkan hari ini dalam Alam, membuka jalan untuk kemajuan dalam elektronik kuantum generasi akan datang, pengkomputeran kuantum dan maklumat teknologi.
Pasukan yang diketuai oleh penyelidik dari Makmal Pemecut Nasional SLAC Jabatan Tenaga dan Universiti Stanford, menggunakan kaedah ini pada bahan yang dikenali sebagai boron nitrida heksagon (hBN), satu lapisan atom yang disusun dalam corak sarang lebah dengan sifat yang menjadikannya unik. sesuai untuk manipulasi kuantum. Dalam eksperimen mereka, saintis menggunakan jenis cahaya khas, yang medan elektriknya kelihatan seperti trefoil, untuk mengubah dan mengawal tingkah laku bahan pada tahap kuantum pada skala masa ultrafast.
Cara gelombang cahaya dipintal juga membolehkan penyelidik mengawal dengan tepat sifat kuantum bahan—peraturan yang menentukan kelakuan elektron, yang penting untuk aliran elektrik dan data. Keupayaan untuk mengawal sifat kuantum atas permintaan ini boleh membuka jalan untuk mencipta suis kuantum ultra pantas untuk teknologi masa depan.
"Kerja kami adalah serupa dengan mencari cara baru untuk berbisik kepada dunia kuantum dan mendapatkannya mendedahkan rahsianya kepada kami," kata Shubhadeep Biswas, seorang saintis di SLAC dan Universiti Stanford yang mengetuai penyelidikan.
Teknik tradisional selalunya memerlukan cahaya untuk mempunyai tenaga yang betul untuk bekerja dengan bahan, batasan yang dipintas oleh pendekatan baharu ini dengan bijak. Dengan menggunakan jenis cahaya khas dan menyesuaikan coraknya agar sepadan dengan corak bahan, saintis boleh memujuk bahan ke dalam konfigurasi baharu tanpa dikekang oleh sifat semula jadinya.
“Cahaya berstruktur ini bukan sahaja menerangi bahan; ia berputar di sekelilingnya, mengubah sifat kuantumnya atas permintaan dengan cara yang boleh kita kawal,” kata Biswas.
Fleksibiliti ini boleh membolehkan kaedah berfungsi untuk pelbagai aplikasi, menjadikannya lebih mudah untuk membangunkan teknologi baharu. Pada dasarnya, pasukan mencipta keadaan di mana elektron bergerak dengan cara yang baharu dan boleh dikawal. Ini boleh, sebagai contoh, membawa kepada pembangunan suis sangat pantas untuk komputer kuantum, yang secara drastik boleh mengatasi prestasi komputer yang kita gunakan hari ini.
Di luar keputusan serta-merta, penyelidikan ini memegang janji untuk aplikasi masa depan dalam bidang "valleytronics," bidang yang memanfaatkan sifat kuantum elektron yang berada dalam lembah tenaga yang berbeza bagi bahan untuk pemprosesan maklumat. Tidak seperti pendekatan tradisional yang memerlukan cahaya dipadankan dengan lembah tenaga tersebut, kaedah baharu lebih mudah disesuaikan, menawarkan hala tuju baharu untuk membangunkan peranti kuantum.
Keupayaan penyelidik untuk memanipulasi lembah kuantum dalam hBN boleh membawa kepada peranti baharu, seperti suis kuantum ultrafast, yang beroperasi bukan sahaja pada binari 0s dan 1s tetapi pada landskap maklumat kuantum yang lebih kompleks. Ini akan membolehkan cara pemprosesan dan penyimpanan maklumat yang lebih pantas dan cekap.
“Ia bukan sekadar menghidupkan dan mematikan suis,” kata kolaborator Matthias F. Kling, pengarah bahagian R&D di LCLS. “Ini mengenai mewujudkan suis yang boleh wujud dalam berbilang negeri sekaligus, dengan ketara meningkatkan kuasa dan potensi peranti kami. Ia membuka cara baharu untuk merekayasa sifat bahan pada tahap kuantum. Aplikasi yang berpotensi adalah luas, daripada pengkomputeran kuantum kepada bentuk pemprosesan maklumat kuantum baharu.”
Penyelidikan itu juga memberi penerangan tentang cara asas saintis boleh berinteraksi dan mengawal dunia kuantum. Bagi saintis yang terlibat, perjalanan ke alam kuantum ini bukan hanya tentang keseronokan penemuan tetapi tentang menolak sempadan apa yang mungkin.
"Salah satu aspek yang paling menarik ialah potensi besar penemuan kami," kata Biswas. "Kami berada di puncak era baharu dalam teknologi, dan kami baru mula meneroka perkara yang mungkin apabila kami memanfaatkan kuasa bahan kuantum."
Pasukan itu juga termasuk penyelidik dari Institut Optik Kuantum Max Planck, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat Munich di Jerman; dan Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid di Sepanyol.