Открытие свойств, запускаемых лазером, - шаг к продвинутым квантовым компьютерам и высокоскоростным маломощным устройствам
Потенциальные будущие транзисторы, которые могут превосходить закон Мура, могут основываться на экзотических материалах, называемых « топологической материей », в которых электричество течет только по поверхности, практически без рассеивания энергии. И теперь новые открытия показывают, что эти специальные топологические материалы могут однажды найти применение в высокоскоростной маломощной электронике и в квантовых компьютерах. То есть ученые недавно обнаружили, что они могут включать эти экзотические электронные свойства с помощью лазерных лучей. 

Топологическая материя предполагает одно возможное будущее электроники, работающей практически без потерь, что означает, что она потенциально могла бы сжигать гораздо меньше энергии и работать намного быстрее, чем обычная электроника на основе кремния. И теперь у исследователей есть самые прямые доказательства того, что свет может управлять этими странными, но невероятными топологическими свойствами.

Ученые исследовали пентателлурид циркония (ZrTe 5 ), который обладает необычными электронными свойствами, основанными на его топологии. Топология - это раздел математики, изучающий, какие аспекты форм могут выдерживать деформацию. Например, предмет в форме пончика может деформироваться в форму кружки, при этом отверстие в ореховом орехе образует отверстие в ручке чашки, но его нельзя толкать или тянуть в форму, в которой отсутствует отверстие, без разрыва предмета. отдельно.

Используя идеи топологии, исследователи разработали первые электронные топологические изоляторы в 2007 году. Электроны, проносящиеся по краям или поверхностям этих материалов, «топологически защищены», что означает, что они сильно сопротивляются любым помехам, которые могут препятствовать их потоку, так же, как пончик может сопротивляться любому изменение, которое удалило бы его отверстие.

Способ, которым топологическая защита может защитить электрические цепи от внешнего вмешательства, делает их потенциально привлекательными не только для высокоскоростных электронных устройств с низким энергопотреблением, но и для квантовых компьютеров, которые теоретически могут оказаться более мощными, чем любой суперкомпьютер. Квантово-механические эффекты, от которых зависят квантовые компьютеры, суперпозиция и запутанность, очень хрупкие, и ученые надеются, что топологическая защита может защитить квантовые компьютеры от сбоев.

Предыдущее исследование показало, что пентателлурид циркония является своего рода топологическим материалом, известным как полуметалл Дирака , что означает, что он может выдерживать электрические токи почти без рассеяния. Это делает его похожим на листы графена. Но в отличие от этих материалов толщиной в один атом, трехмерная природа пентателлурида циркония потенциально может устранить по крайней мере некоторые из сложных аспектов работы с чем-то, что фактически имеет только два измерения.

В новом исследовании исследователи проанализировали, что произошло, если они использовали терагерцовые лазеры для поворота кристаллической решетки пентателлурида циркония. Они обнаружили, что свет может запускать гигантские топологически защищенные токи в материале, в котором электроны ведут себя как так называемые фермионы Вейля или безмассовые частицы, несущие электрический заряд. В целом, электроны в пентателлуриде циркония могут двигаться со скоростью примерно в одну-три сотых скорости света на расстояниях до 10 микрон. (Напротив, реальная скорость движения электронов в обычной электронике намного меньше .) 

Ученые отмечают, что использование света для включения этих гигантских токов почти без рассеяния может оказаться намного быстрее и более энергоэффективным, чем использование электрических или магнитных полей. Эта стратегия также может работать при температуре, близкой к комнатной, вместо того, чтобы требовать криогенного холода, как с другими методами.

«Наше открытие почти бездиссипативного тока, управляемого светом, открывает перспективы для достижения трансформационных технологических приложений в квантовых вычислениях, зондировании и коммуникациях, выходящих за рамки нынешних технологических ограничений», - говорит соавтор исследования Цзиган Ван, старший научный сотрудник лаборатории Эймса в Айове и физик из Университета штата Айова.