Sunnyvale, Kalifornien – 26. März 2024 – NTT Research, Inc., eine Abteilung von NTT (TYO:9432), gab heute bekannt, dass Wissenschaftler aus seiner Labor für Physik und Informatik (PHI). haben die Quantenkontrolle von Exzitonenwellenfunktionen in zweidimensionalen (2D) Halbleitern erreicht. In einem Artikel veröffentlicht in Wissenschaft Fortschritte, dokumentierte ein Team unter der Leitung des PHI-Laborwissenschaftlers Thibault Chervy und des ETH-Professors Puneet Murthy ihren Erfolg beim Einfangen von Exzitonen in verschiedenen Geometrien, einschließlich Quantenpunkten, und deren Steuerung, um eine unabhängige Energieabstimmbarkeit über skalierbare Arrays zu erreichen.

Dieser Durchbruch gelang im PHI Lab in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der ETH Zürich, der Stanford University und dem National Institute for Materials Science in Japan. Exzitonen, die entstehen, wenn ein Material Photonen absorbiert, sind von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, die von der Lichtgewinnung und -erzeugung bis zur Quanteninformationsverarbeitung reichen. Allerdings war die genaue Kontrolle ihres quantenmechanischen Zustands aufgrund von Einschränkungen bei bestehenden Herstellungstechniken mit Skalierbarkeitsproblemen verbunden. Insbesondere die Kontrolle über Position und Energie von Quantenpunkten war ein großes Hindernis für die Skalierung hin zu Quantenanwendungen. Diese neue Arbeit eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung der Exzitonendynamik und -wechselwirkungen im Nanometerbereich mit Auswirkungen auf optoelektronische Geräte und nichtlineare Quantenoptik.

 Quantenpunkte, deren Entdeckung und Synthese in a erkannt wurden Nobelpreis 2023, wurden bereits in Videoanzeigen der nächsten Generation, biologischen Markern, kryptografischen Schemata und anderswo eingesetzt. Ihre Anwendung im quantenoptischen Computing, einem Schwerpunkt der Forschungsagenda des PHI-Labors, war jedoch bisher auf sehr kleine Systeme beschränkt. Im Gegensatz zu heutigen digitalen Computern, die boolesche Logik verwenden und Kondensatoren verwenden, um Elektronen entweder zu blockieren oder ihnen den Fluss zu ermöglichen, steht das optische Rechnen vor dieser Herausforderung: Photonen interagieren von Natur aus nicht miteinander.

Während diese Funktion für die optische Kommunikation nützlich ist, schränkt sie Computeranwendungen stark ein. Nichtlineare optische Materialien bieten einen Ansatz, indem sie photonische Kollisionen ermöglichen, die als Ressource für die Logik genutzt werden können. (Eine andere Gruppe im PHI-Labor konzentriert sich auf ein solches Material, Dünnschicht-Lithiumniobat.) Das von Chervy geleitete Team arbeitet auf einer grundlegenderen Ebene. „Die Frage, mit der wir uns befassen, ist im Grunde, wie weit man das vorantreiben kann“, sagte er. „Wenn Sie ein System hätten, in dem die Wechselwirkungen oder Nichtlinearität so stark wären, dass ein Photon im System den Durchgang eines zweiten Photons blockieren würde, wäre das wie eine logische Operation auf der Ebene einzelner Quantenteilchen, die Sie in die Lage versetzt Bereich der Quanteninformationsverarbeitung. Das ist es, was wir erreichen wollten, indem wir Licht in begrenzten excitonischen Zuständen einfangen.“

 Kurzlebige Exzitonen verfügen über elektrische Ladungen (ein Elektron und ein Elektron-Loch), was sie zu guten Vermittlern von Wechselwirkungen zwischen Photonen macht. Durch Anlegen elektrischer Felder zur Steuerung der Bewegung von Exzitonen auf Heterostrukturvorrichtungen, die über eine zweidimensionale Halbleiterflocke (2 Nanometer oder drei Atome dick) verfügen, haben Chervy, Murthy et al. demonstrieren verschiedene Einschlussgeometrien wie Quantenpunkte und Quantenringe. Am wichtigsten ist, dass diese Eindämmungsstellen an kontrollierbaren Positionen und einstellbaren Energien gebildet werden. „Die Technik in diesem Artikel zeigt, dass Sie entscheiden können woher Sie werden das Exziton einfangen, aber auch bei welcher Energie es wird gefangen bleiben“, sagte Chervy.

 Skalierbarkeit ist ein weiterer Durchbruch. „Sie wollen eine Architektur, die sich auf Hunderte von Standorten skalieren lässt“, sagte Chervy. „Deshalb ist die Tatsache, dass es elektrisch steuerbar ist, sehr wichtig, da wir wissen, wie man Spannungen im großen Maßstab steuert. CMOS-Technologien eignen sich beispielsweise sehr gut zur Steuerung der Gate-Spannungen von Milliarden Transistoren. Und unsere Architektur unterscheidet sich ihrer Natur nach nicht von der eines Transistors – wir halten lediglich ein genau definiertes Spannungspotential an einem winzigen kleinen Übergang aufrecht.“

 Die Forscher glauben, dass ihre Arbeit mehrere neue Richtungen eröffnet, nicht nur für zukünftige technologische Anwendungen, sondern auch für die Grundlagenphysik. „Wir haben die Vielseitigkeit unserer Technik bei der elektrischen Definition von Quantenpunkten und -ringen gezeigt“, sagte Jenny Hu, Haupt-Co-Autorin und Doktorandin der Stanford University. Student (in Forschungsgruppe von Professor Tony Heinz). „Dies gibt uns ein beispielloses Maß an Kontrolle über die Eigenschaften des Halbleiters auf der Nanoskala. Der nächste Schritt wird darin bestehen, die Natur des von diesen Strukturen emittierten Lichts genauer zu untersuchen und Wege zu finden, solche Strukturen in hochmoderne Photonik-Architekturen zu integrieren.“

 Neben der Erforschung von Quasiteilchen und nichtlinearen Materialien beschäftigen sich die Wissenschaftler des PHI Lab mit Arbeiten rund um die kohärente Ising-Maschine (CIM), ein Netzwerk optischer parametrischer Oszillatoren, die zur Lösung von Problemen programmiert sind, die einem Ising-Modell zugeordnet sind. Wissenschaftler des PHI Lab erforschen auch die Neurowissenschaften auf ihre Relevanz für neue Computerrahmen. Um diese ehrgeizige Agenda zu verfolgen, hat das PHI Lab gemeinsame Forschungsvereinbarungen mit dem California Institute of Technology (Caltech), der Cornell University, der Harvard University, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), der Notre Dame University, der Stanford University und der Swinburne University of Technology geschlossen , dem Tokyo Institute of Technology und der University of Michigan. Das PHI Lab hat außerdem eine gemeinsame Forschungsvereinbarung mit dem NASA Ames Research Center im Silicon Valley geschlossen.

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• Quelle: https://insidehpc.com/2024/03/ntt-research-phi-lab-scientists-achieve-quantum-control-of-excitons-in-2d-semiconductors/