Controle quântico desbloqueado: criação de canais de elétrons livres de resistência

  Controle quântico desbloqueado

Novas pesquisas demonstram controle sobre estados quânticos que poderiam revolucionar a eficiência energética na eletrônica e avançar a computação quântica. Crédito: SciTechDaily.com

Pela primeira vez, os cientistas manipulam eletricamente um 'estado de interface quiral' em um material 2D, com promessa de microeletrônica com eficiência energética e

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica.

• Os cientistas obtiveram as primeiras imagens de resolução atômica de um fenômeno quântico exótico que poderia ajudar os pesquisadores a avançar na computação quântica e na eletrônica com eficiência energética.
• O trabalho permite a visualização e controle do fluxo de elétrons em uma classe única de isoladores quânticos.
• As descobertas podem ajudar os pesquisadores a construir redes sintonizáveis ​​de canais de elétrons com promessas de computação quântica eficiente e dispositivos de memória magnética de baixa potência no futuro.

Avanço em computação quântica e eletrônica

Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) obteve as primeiras imagens de resolução atômica e demonstrou o controle elétrico de um estado de interface quiral – um fenômeno quântico exótico que poderia ajudar os pesquisadores a avançar na computação quântica e na eletrônica com eficiência energética.

Revelando Estados de Interface Quiral

O estado de interface quiral é um canal condutor que permite que os elétrons viajem em apenas uma direção, evitando que sejam espalhados para trás e causando resistência elétrica com desperdício de energia. Os pesquisadores estão trabalhando para compreender melhor as propriedades dos estados de interface quirais em materiais reais, mas visualizar suas características espaciais provou ser excepcionalmente difícil. Mas agora, pela primeira vez, imagens de resolução atômica capturadas por uma equipe de pesquisa do Berkeley Lab e da UC Berkeley visualizaram diretamente um estado de interface quiral. Os pesquisadores também demonstraram a criação sob demanda desses canais condutores livres de resistência em um isolador 2D.

Imagem de microscopia de varredura por tunelamento de uma função de onda de estado de interface quiral (faixa brilhante) em um isolador Hall anômalo quântico feito de grafeno monocamada-bicamada torcido. Crédito: Canxun Zhang/Berkeley Lab

Avançando nas aplicações de materiais quânticos

Seu trabalho, que foi relatado na revista Física da Naturezafaz parte do esforço mais amplo do Berkeley Lab para avançar na computação quântica e outras aplicações de sistemas de informação quântica, incluindo o design e síntese de materiais quânticos para atender a necessidades tecnológicas urgentes.

“Nosso trabalho mostra pela primeira vez como são esses estados 1D em escala atômica, incluindo como podemos alterá-los – e até mesmo criá-los.” – Canxun Zhang, ex-aluno pesquisador da Divisão de Ciências de Materiais

“Experiências anteriores demonstraram que existem estados de interface quirais, mas ninguém nunca os visualizou com uma resolução tão alta. Nosso trabalho mostra pela primeira vez como são esses estados 1D na escala atômica, incluindo como podemos alterá-los – e até mesmo criá-los”, disse o primeiro autor Canxun Zhang, ex-aluno pesquisador da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e do Departamento de Física da UC Berkeley. Ele agora é pesquisador de pós-doutorado na UC Santa Barbara.

Técnicas Inovadoras e Aplicações Futuras

Estados de interface quirais podem ocorrer em certos tipos de materiais 2D conhecidos como isoladores Hall anômalos quânticos (QAH), que são isolantes em massa, mas conduzem elétrons sem resistência em “bordas” unidimensionais – os limites físicos do material e interfaces com outros materiais. Para preparar estados de interface quirais, a equipe trabalhou na Fundição Molecular do Berkeley Lab para fabricar um dispositivo chamado monocamada-bicamada torcida.

grafeno

O grafeno é um alótropo de carbono na forma de uma única camada de átomos em uma rede hexagonal bidimensional na qual um átomo forma cada vértice. É o elemento estrutural básico de outros alótropos de carbono, incluindo grafite, carvão, nanotubos de carbono e fulerenos. Em proporção à sua espessura, é cerca de 100 vezes mais resistente que o aço mais resistente.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">grafenoque é uma pilha de duas camadas atomicamente finas de grafeno giradas precisamente uma em relação à outra, criando uma superrede moiré que exibe o efeito QAH.

Imagens de microscopia de varredura por tunelamento mostram uma função de onda de estado de interface quiral (faixa brilhante) em um isolador QAH feito de grafeno monocamada-bicamada torcido em um dispositivo 2D. A interface pode ser movida através da amostra modulando a voltagem em um eletrodo de porta colocado abaixo das camadas de grafeno. Crédito: Canxun Zhang/Berkeley Lab

Em experimentos subsequentes no Departamento de Física da UC Berkeley, os pesquisadores usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM) para detectar diferentes estados eletrônicos na amostra, permitindo-lhes visualizar a função de onda do estado da interface quiral. Outros experimentos mostraram que o estado da interface quiral pode ser movido através da amostra modulando a voltagem em um eletrodo de porta colocado abaixo das camadas de grafeno. Numa demonstração final de controle, os pesquisadores mostraram que um pulso de tensão da ponta de uma sonda STM pode “escrever” um estado de interface quiral na amostra, apagá-lo e até mesmo reescrever um novo onde os elétrons fluem na direção oposta.

Impacto potencial e pesquisa em andamento

As descobertas podem ajudar os pesquisadores a construir redes sintonizáveis ​​​​de canais de elétrons com promessas para microeletrônica com eficiência energética e dispositivos de memória magnética de baixa potência no futuro, e para computação quântica fazendo uso de comportamentos exóticos de elétrons em isoladores QAH. Os pesquisadores pretendem usar sua técnica para estudar física mais exótica em materiais relacionados, como anyons, um novo tipo de quasipartícula que poderia permitir um caminho para a computação quântica. “Nossos resultados fornecem informações que antes não eram possíveis. Ainda há um longo caminho a percorrer, mas este é um bom primeiro passo”, disse Zhang. Referência: “Manipulação de estados de interface quiral em um isolador Hall anômalo quântico moiré” por Canxun Zhang, Tiancong Zhu, Salman Kahn, Tomohiro Soejima, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Alex Zettl, Feng Wang, Michael P. Zaletel e Michael F. Crommie , 13 de março de 2024, Física da Natureza. DOI: 10.1038/s41567-024-02444-w O trabalho foi liderado por Michael Crommie, cientista sênior da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de física na UC Berkeley. Tiancong Zhu, ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo Crommie no Berkeley Lab e UC Berkeley, contribuiu como co-autor correspondente e agora é professor de física na Purdue University. A Molecular Foundry é uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Berkeley Lab. Este trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science. Financiamento adicional foi fornecido pela National Science Foundation. https://w3b.com.br/controle-quantico-desbloqueado-criacao-de-canais-de-eletrons-livres-de-resistencia/?feed_id=6517&_unique_id=668f0d0fa6482