Sunnyvale, California – 26 de marzo de 2024 – Investigación NTT, Inc., una división de NTT (TYO:9432), anunció hoy que los científicos de su Laboratorio de Física e Informática (PHI) han logrado el control cuántico de las funciones de onda de los excitones en semiconductores bidimensionales (2D). En un artículo publicado en Science Advances, un equipo dirigido por el científico investigador del laboratorio PHI Thibault Chervy y el profesor Puneet Murthy de ETH Zurich documentaron su éxito en atrapar excitones en varias geometrías, incluidos puntos cuánticos, y controlarlos para lograr una sintonizabilidad de energía independiente en matrices escalables.

Este avance se logró en el PHI Lab en colaboración con científicos de ETH Zurich, la Universidad de Stanford y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. Los excitones, que se forman cuando un material absorbe fotones, son cruciales para aplicaciones que van desde la recolección y generación de luz hasta el procesamiento de información cuántica. Sin embargo, lograr un control preciso sobre su estado mecánico cuántico ha estado plagado de problemas de escalabilidad debido a las limitaciones de las técnicas de fabricación existentes. En particular, el control sobre la posición y la energía de los puntos cuánticos ha sido un obstáculo importante para avanzar hacia las aplicaciones cuánticas. Este nuevo trabajo abre posibilidades para diseñar dinámicas e interacciones de excitones a escala nanométrica, con implicaciones para dispositivos optoelectrónicos y óptica cuántica no lineal.

 Puntos cuánticos, cuyo descubrimiento y síntesis fueron reconocidos en un Premio Nobel 2023, ya se han implementado en pantallas de video de próxima generación, marcadores biológicos, esquemas criptográficos y otros lugares. Sin embargo, su aplicación a la computación óptica cuántica, un foco de la agenda de investigación del PHI Lab, se ha limitado hasta ahora a sistemas de muy pequeña escala. En contraste con las computadoras digitales actuales que ejecutan lógica booleana usando capacitores para bloquear electrones o permitirles fluir, la computación óptica enfrenta este desafío: los fotones, por naturaleza, no interactúan entre sí.

Si bien esta característica es útil para la comunicación óptica, limita severamente las aplicaciones computacionales. Los materiales ópticos no lineales ofrecen un enfoque, al permitir la colisión fotónica que puede usarse como recurso para la lógica. (Otro grupo del PHI Lab se está centrando en uno de esos materiales, el niobato de litio en película delgada). El equipo dirigido por Chervy está trabajando en un nivel más fundamental. "La pregunta que abordamos es básicamente hasta dónde se puede llevar esto", dijo. "Si tuvieras un sistema donde las interacciones o la no linealidad fueran tan fuertes que un fotón en el sistema bloqueara el paso de un segundo fotón, eso sería como una operación lógica al nivel de partículas cuánticas individuales, lo que te colocaría en el ámbito del procesamiento de información cuántica. Esto es lo que intentamos lograr, atrapando la luz dentro de estados excitónicos confinados”.

 Los excitones de vida corta tienen cargas eléctricas constituyentes (un electrón y un hueco de electrón) que los convierte en buenos mediadores de las interacciones entre fotones. Al aplicar campos eléctricos para controlar el movimiento de excitones en dispositivos de heteroestructura que cuentan con una escama semiconductora 2D (0.7 nanómetros o tres átomos de espesor), Chervy, Murthy, et al. demuestran diferentes geometrías de contención, como puntos cuánticos y anillos cuánticos. Lo más significativo es que estos sitios de contención se forman en posiciones controlables y energías sintonizables. “La técnica de este artículo muestra que se puede decidir donde atraparás el excitón, pero también a que energía quedará atrapado”, dijo Chervy.

 La escalabilidad es otro avance. "Lo que se desea es una arquitectura que pueda ampliarse a cientos de sitios", dijo Chervy. “Por eso es muy importante que sea controlable eléctricamente, porque sabemos cómo controlar los voltajes a gran escala. Por ejemplo, las tecnologías CMOS son muy buenas para controlar los voltajes de puerta en miles de millones de transistores. Y nuestra arquitectura no es diferente en naturaleza a la de un transistor: simplemente mantenemos un potencial de voltaje bien definido a través de una pequeña unión”.

 Los investigadores creen que su trabajo abre varias direcciones nuevas, no sólo para futuras aplicaciones tecnológicas sino también para la física fundamental. "Hemos demostrado la versatilidad de nuestra técnica para definir eléctricamente puntos y anillos cuánticos", dijo Jenny Hu, coautora principal y doctora de la Universidad de Stanford. estudiante (en Grupo de investigación del profesor Tony Heinz). “Esto nos da un nivel de control sin precedentes sobre las propiedades del semiconductor a nanoescala. El siguiente paso será investigar más profundamente la naturaleza de la luz emitida por estas estructuras y encontrar formas de integrar dichas estructuras en arquitecturas fotónicas de vanguardia”.

 Además de realizar investigaciones sobre cuasipartículas y materiales no lineales, los científicos del PHI Lab participan en trabajos relacionados con la máquina coherente de Ising (CIM), una red de osciladores ópticos paramétricos programados para resolver problemas asignados a un modelo de Ising. Los científicos del PHI Lab también están explorando la neurociencia por su relevancia para los nuevos marcos computacionales. En pos de esta ambiciosa agenda, el PHI Lab ha llegado a acuerdos de investigación conjunta con el Instituto Tecnológico de California (Caltech), la Universidad de Cornell, la Universidad de Harvard, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la Universidad de Notre Dame, la Universidad de Stanford y la Universidad Tecnológica de Swinburne. , el Instituto de Tecnología de Tokio y la Universidad de Michigan. El PHI Lab también ha firmado un acuerdo de investigación conjunta con el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley.

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