Sunnyvale, California – 26 marzo 2024 – Ricerca NTT, Inc., una divisione di NTT (TYO:9432), ha annunciato oggi che gli scienziati della sua Laboratorio di Fisica e Informatica (PHI). hanno ottenuto il controllo quantistico delle funzioni d'onda degli eccitoni nei semiconduttori bidimensionali (2D). In un articolo pubblicato su Anticipi Scienza, un team guidato dal ricercatore Thibault Chervy del PHI Lab e dal professor Puneet Murthy dell'ETH di Zurigo ha documentato il loro successo nell'intrappolare gli eccitoni in varie geometrie, compresi i punti quantici, e nel controllarli per ottenere una sintonizzazione energetica indipendente su array scalabili.

Questa svolta è stata raggiunta presso il PHI Lab in collaborazione con scienziati dell’ETH di Zurigo, dell’Università di Stanford e dell’Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone. Gli eccitoni, che si formano quando un materiale assorbe fotoni, sono fondamentali per applicazioni che vanno dalla raccolta e generazione della luce all'elaborazione delle informazioni quantistiche. Tuttavia, il raggiungimento di un controllo accurato sul loro stato quantomeccanico è stato afflitto da problemi di scalabilità dovuti alle limitazioni delle tecniche di fabbricazione esistenti. In particolare, il controllo sulla posizione e sull’energia dei punti quantici ha rappresentato un grosso ostacolo all’espansione verso le applicazioni quantistiche. Questo nuovo lavoro apre possibilità per l’ingegneria delle dinamiche e delle interazioni degli eccitoni su scala nanometrica, con implicazioni per i dispositivi optoelettronici e l’ottica non lineare quantistica.

 Punti quantici, la cui scoperta e sintesi furono riconosciute in a Premio Nobel 2023, sono già stati implementati in display video, marcatori biologici, schemi crittografici e altrove di prossima generazione. La loro applicazione al calcolo ottico quantistico, al centro dell'agenda di ricerca del PHI Lab, tuttavia, è stata finora limitata a sistemi su scala molto piccola. A differenza dei computer digitali odierni che eseguono la logica booleana utilizzando condensatori per bloccare gli elettroni o consentire loro di fluire, il calcolo ottico affronta questa sfida: i fotoni, per natura, non interagiscono tra loro.

Sebbene questa funzionalità sia utile per la comunicazione ottica, limita fortemente le applicazioni computazionali. I materiali ottici non lineari offrono un approccio, consentendo la collisione fotonica che può essere utilizzata come risorsa per la logica. (Un altro gruppo nel PHI Lab si sta concentrando su uno di questi materiali, il niobato di litio a film sottile.) Il team guidato da Chervy sta lavorando a un livello più fondamentale. "La domanda che affrontiamo è fondamentalmente fino a che punto puoi spingerti in questo senso", ha detto. “Se avessi un sistema in cui le interazioni o la non linearità fossero così forti che un fotone nel sistema bloccasse il passaggio di un secondo fotone, sarebbe come un’operazione logica a livello delle singole particelle quantistiche, che ti mette nella ambito dell’elaborazione dell’informazione quantistica. Questo è ciò che abbiamo cercato di ottenere, intrappolando la luce all’interno di stati eccitonici confinati”.

 Gli eccitoni di breve durata hanno cariche elettriche costituenti (un elettrone e una lacuna elettronica) che li rendono buoni mediatori delle interazioni tra i fotoni. Applicazione di campi elettrici per controllare il movimento degli eccitoni su dispositivi eterostruttura che presentano una scaglia di semiconduttore 2D (0.7 nanometri o tre atomi di spessore), Chervy, Murthy, et al. dimostrare diverse geometrie di contenimento, come punti quantici e anelli quantici. Ancora più significativo, questi siti di contenimento si formano in posizioni controllabili ed energie sintonizzabili. “La tecnica utilizzata in questo articolo dimostra che puoi decidere where intrappolerai l'eccitone, ma anche a quale energia rimarrà intrappolato”, ha detto Chervy.

 La scalabilità è un altro passo avanti. "Vuoi un'architettura in grado di scalare fino a centinaia di siti", ha affermato Chervy. “Ecco perché il fatto che sia controllabile elettricamente è molto importante, perché sappiamo come controllare le tensioni su larga scala. Ad esempio, le tecnologie CMOS sono molto efficaci nel controllare le tensioni di gate su miliardi di transistor. E la nostra architettura non è diversa da quella di un transistor: manteniamo semplicemente un potenziale di tensione ben definito attraverso una piccola giunzione”.

 I ricercatori ritengono che il loro lavoro apra diverse nuove direzioni, non solo per future applicazioni tecnologiche ma anche per la fisica fondamentale. "Abbiamo dimostrato la versatilità della nostra tecnica nel definire elettricamente punti e anelli quantistici", ha affermato Jenny Hu, coautrice principale e Ph.D. dell'Università di Stanford. studente (a Gruppo di ricerca del professor Tony Heinz). “Questo ci offre un livello di controllo senza precedenti sulle proprietà del semiconduttore su scala nanometrica. Il prossimo passo sarà quello di indagare più a fondo la natura della luce emessa da queste strutture e trovare modi per integrare tali strutture in architetture fotoniche all’avanguardia”.

 Oltre a condurre ricerche su quasi-particelle e materiali non lineari, gli scienziati del PHI Lab sono impegnati nel lavoro sulla macchina coerente di Ising (CIM), una rete di oscillatori parametrici ottici programmati per risolvere problemi mappati su un modello di Ising. Gli scienziati del PHI Lab stanno inoltre esplorando le neuroscienze per la loro rilevanza nei confronti dei nuovi quadri computazionali. Nel perseguimento di questo ambizioso programma, il PHI Lab ha raggiunto accordi di ricerca congiunti con il California Institute of Technology (Caltech), la Cornell University, l'Università di Harvard, il Massachusetts Institute of Technology (MIT), la Notre Dame University, la Stanford University, la Swinburne University of Technology , il Tokyo Institute of Technology e l'Università del Michigan. Il PHI Lab ha inoltre stipulato un accordo di ricerca congiunta con il Centro di ricerca Ames della NASA nella Silicon Valley.

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