扭結(jié)狀態(tài)控制或為量子電子學(xué)提供途徑

開發(fā)量子電子器件的關(guān)鍵可能存在一些問題。據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團隊稱，這對于制造和操作此類設(shè)備(包括先進(jìn)的傳感器和激光器)所需的精確控制來說并不是一件壞事。

研究人員制作了一個開關(guān)來打開和關(guān)閉扭結(jié)態(tài)，扭結(jié)態(tài)是半導(dǎo)體材料邊緣的導(dǎo)電通路。通過控制扭結(jié)態(tài)的形成，研究人員可以調(diào)節(jié)量子系統(tǒng)中電子的流動。

“我們設(shè)想以扭結(jié)態(tài)為骨干構(gòu)建一個量子互連網(wǎng)絡(luò)，”團隊負(fù)責(zé)人、賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)教授朱軍說道。朱軍也是賓夕法尼亞州立大學(xué)二維層狀材料研究中心的成員。

“這種網(wǎng)絡(luò)可用于長距離傳輸片上量子信息，而傳統(tǒng)的銅線無法實現(xiàn)這一點，因為它有電阻，因此無法保持量子相干性。”

該研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，可能為研究人員繼續(xù)研究扭結(jié)態(tài)及其在電子量子光學(xué)設(shè)備和量子計算機中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

“這種開關(guān)的工作原理與傳統(tǒng)開關(guān)不同，傳統(tǒng)開關(guān)通過門來調(diào)節(jié)電流，類似于通過收費站的交通，”朱說。“在這里，我們正在拆除和重建道路本身。”

扭結(jié)態(tài)存在于一種由伯納爾雙層石墨烯材料制成的量子裝置中。這種材料由兩層原子厚度的碳組成，碳層以這樣一種方式堆疊在一起，即一層中的原子與另一層中的原子錯位。這種排列方式與電場的使用相結(jié)合，產(chǎn)生了不同尋常的電子特性，包括量子谷霍爾效應(yīng)。

這種效應(yīng)指的是電子占據(jù)不同“谷”態(tài)(根據(jù)其能量與動量的關(guān)系確定)的現(xiàn)象，這些電子也朝相反的方向向前和向后移動。扭結(jié)態(tài)是量子谷霍爾效應(yīng)的表現(xiàn)。

“我們的設(shè)備的神奇之處在于，我們可以使沿相反方向移動的電子不會互相碰撞(這稱為背向散射)，即使它們共享相同的路徑，”第一作者KeHuang說道，他是賓夕法尼亞州立大學(xué)在朱的指導(dǎo)下攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的研究生。

“這對應(yīng)于對‘量化’電阻值的觀察，這是扭結(jié)態(tài)作為量子線傳輸量子信息的潛在應(yīng)用的關(guān)鍵。”

盡管朱實驗室之前已經(jīng)發(fā)表過關(guān)于扭結(jié)態(tài)的研究，但他們在當(dāng)前工作中只是在提高了器件的電子清潔度之后才實現(xiàn)了量子谷霍爾效應(yīng)的量化，這意味著他們移除了可能允許朝相反方向移動的電子發(fā)生碰撞的源。

他們通過將干凈的石墨/六方氮化硼堆棧作為全局門(或可以允許電子流動的機制)納入設(shè)備來實現(xiàn)這一點。

石墨和六方氮化硼都是常用作油漆、化妝品等潤滑劑的化合物。石墨導(dǎo)電性好，而六方氮化硼是絕緣體。研究人員利用這種組合將電子限制在扭結(jié)狀態(tài)并控制其流動。

黃說：“將石墨/六方氮化硼堆棧作為全局柵極對于消除電子背散射至關(guān)重要”，并指出這種材料的使用是當(dāng)前研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，即使溫度升至幾十開爾文(科學(xué)溫度單位)，扭結(jié)態(tài)的量化仍然保持不變。零開爾文相當(dāng)于-460華氏度。

朱教授表示：“量子效應(yīng)通常很脆弱，只能在幾開爾文的低溫下才能發(fā)揮作用。我們能使這一技術(shù)工作的溫度越高，它就越有可能得到應(yīng)用。”

研究人員通過實驗測試了他們制造的開關(guān)，發(fā)現(xiàn)它可以快速、反復(fù)地控制電流。這增加了基于扭結(jié)態(tài)的量子電子器件庫，這些器件有助于控制和引導(dǎo)電子——閥門、波導(dǎo)、分束器——這些器件之前由朱實驗室制造。

朱教授表示：“我們開發(fā)了一種量子高速公路系統(tǒng)，它可以在不發(fā)生碰撞的情況下傳輸電子，可以編程來引導(dǎo)電流，而且具有可擴展性——所有這些都為未來探索該系統(tǒng)的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用潛力奠定了堅實的基礎(chǔ)。當(dāng)然，要實現(xiàn)量子互連系統(tǒng)，我們還有很長的路要走。”

朱指出，她的實驗室的下一個目標(biāo)是展示電子在彎道州高速公路上行駛時如何表現(xiàn)得像相干波。

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