Een team van wetenschappers heeft een methode ontwikkeld die de structuur van licht gebruikt om de eigenschappen van kwantummaterialen te verdraaien en aan te passen. Hun resultaten, vandaag gepubliceerd in NATUUR, maken de weg vrij voor vooruitgang op het gebied van de volgende generatie kwantumelektronica, kwantumcomputing en informatie technologie.
Het team, geleid door onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en Stanford University, paste deze methode toe op een materiaal dat bekend staat als hexagonaal boornitride (hBN), een enkele laag atomen gerangschikt in een honingraatpatroon met eigenschappen die het uniek maken. geschikt voor kwantummanipulatie. In hun experimenten gebruikten de wetenschappers een speciaal soort licht, waarvan het elektrische veld op een klaverblad lijkt, om het gedrag van het materiaal op kwantumniveau en op een ultrasnelle tijdschaal te veranderen en te controleren.
De manier waarop de lichtgolf wordt gedraaid, stelt onderzoekers ook in staat de kwantumeigenschappen van het materiaal nauwkeurig te controleren: regels die het gedrag van elektronen bepalen, die essentieel zijn voor de elektriciteits- en gegevensstroom. Dit vermogen om kwantumeigenschappen op verzoek te controleren zou de weg kunnen vrijmaken voor het creëren van ultrasnelle kwantumschakelaars voor toekomstige technologieën.
“Ons werk lijkt op het vinden van een nieuwe manier om tegen de kwantumwereld te fluisteren en deze zijn geheimen aan ons te laten onthullen”, zegt Shubhadeep Biswas, een wetenschapper aan SLAC en Stanford University die het onderzoek leidde.
Traditionele technieken vereisen vaak dat het licht precies de juiste energie heeft om met een materiaal te werken, een beperking die deze nieuwe aanpak slim omzeilt. Door een speciaal soort licht te gebruiken en het patroon aan te passen aan het patroon van het materiaal, kunnen wetenschappers het materiaal in nieuwe configuraties overbrengen zonder te worden beperkt door de natuurlijke eigenschappen ervan.
“Dit gestructureerde licht verlicht niet alleen het materiaal; het draait eromheen en verandert de kwantumeigenschappen op verzoek op een manier die we kunnen controleren, ‘zei Biswas.
Deze flexibiliteit zou ervoor kunnen zorgen dat de methode voor een breed scala aan toepassingen kan werken, waardoor het gemakkelijker wordt om nieuwe technologieën te ontwikkelen. In wezen creëerde het team omstandigheden waarin elektronen op nieuwe en controleerbare manieren bewegen. Dat zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot de ontwikkeling van supersnelle schakelaars voor kwantumcomputers, die drastisch beter zouden kunnen presteren dan de computers die we vandaag de dag gebruiken.
Naast de onmiddellijke resultaten is dit onderzoek veelbelovend voor toekomstige toepassingen op het gebied van de ‘valleytronica’, een veld dat gebruik maakt van de kwantumeigenschappen van elektronen die zich in verschillende energievalleien van een materiaal bevinden voor informatieverwerking. In tegenstelling tot traditionele benaderingen die licht vereisen dat is afgestemd op die energievalleien, is de nieuwe methode beter aanpasbaar en biedt een nieuwe richting voor de ontwikkeling van kwantumapparaten.
Het vermogen van de onderzoekers om de kwantumvalleien in hBN te manipuleren zou kunnen leiden tot nieuwe apparaten, zoals ultrasnelle kwantumschakelaars, die niet alleen werken op het binaire getal van nullen en enen, maar ook op het complexere landschap van kwantuminformatie. Dit zal snellere, efficiëntere manieren mogelijk maken om informatie te verwerken en op te slaan.
“Het gaat niet alleen om het aan- en uitzetten van een schakelaar”, zegt medewerker Matthias F. Kling, directeur R&D-divisie bij LCLS. “Het gaat om het creëren van een schakelaar die in meerdere toestanden tegelijk kan bestaan, waardoor de kracht en het potentieel van onze apparaten enorm wordt vergroot. Het opent een geheel nieuwe manier om de eigenschappen van materialen op kwantumniveau te manipuleren. De potentiële toepassingen zijn enorm, variërend van quantum computing tot nieuwe vormen van quantuminformatieverwerking.”
Het onderzoek werpt ook licht op de fundamentele manieren waarop wetenschappers kunnen communiceren met de kwantumwereld en deze kunnen controleren. Voor de betrokken wetenschappers gaat deze reis naar het kwantumrijk niet alleen over de sensatie van ontdekking, maar ook over het verleggen van de grenzen van wat mogelijk is.
“Een van de meest opwindende aspecten is het enorme potentieel van onze bevindingen,” zei Biswas. "We staan aan de vooravond van een nieuw technologietijdperk en we beginnen nog maar net te onderzoeken wat mogelijk is als we de kracht van kwantummaterialen benutten."
Het team bestond ook uit onderzoekers van het Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat München in Duitsland; en Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid in Spanje.