Sunnyvale, Californië – 26 maart 2024 – NTT Onderzoek, Inc., een divisie van NTT (TYO:9432), maakte vandaag bekend dat wetenschappers van haar Natuurkunde en informatica (PHI) Lab hebben kwantumcontrole bereikt van excitongolffuncties in tweedimensionale (2D) halfgeleiders. In een artikel gepubliceerd in Wetenschap Advancesdocumenteerde een team onder leiding van PHI Lab-onderzoekswetenschapper Thibault Chervy en ETH Zürich-professor Puneet Murthy hun succes bij het vangen van excitonen in verschillende geometrieën, waaronder kwantumdots, en het controleren ervan om onafhankelijke energieafstemming over schaalbare arrays te bereiken.

Deze doorbraak werd bereikt in het PHI Lab in samenwerking met wetenschappers van ETH Zürich, Stanford University en het National Institute for Materials Science in Japan. Excitonen, die worden gevormd wanneer een materiaal fotonen absorbeert, zijn cruciaal voor toepassingen variërend van het oogsten en genereren van licht tot de verwerking van kwantuminformatie. Het verkrijgen van nauwkeurige controle over hun kwantummechanische toestand wordt echter geplaagd door schaalbaarheidsproblemen als gevolg van beperkingen in de bestaande fabricagetechnieken. Met name de controle over de positie en energie van kwantumdots is een grote belemmering geweest voor het opschalen naar kwantumtoepassingen. Dit nieuwe werk ontsluit mogelijkheden voor het engineeren van excitondynamica en interacties op nanometerschaal, met implicaties voor opto-elektronische apparaten en niet-lineaire kwantumoptica.

 Quantum dots, waarvan de ontdekking en synthese werden erkend in a Nobelprijs 2023, zijn al ingezet in videoschermen van de volgende generatie, biologische markers, cryptografische schema's en elders. Hun toepassing op kwantumoptisch computergebruik, een focus op de onderzoeksagenda van het PHI Lab, is tot nu toe echter beperkt gebleven tot zeer kleinschalige systemen. In tegenstelling tot de huidige digitale computers die Booleaanse logica uitvoeren en condensatoren gebruiken om elektronen te blokkeren of te laten stromen, staat optisch computergebruik voor deze uitdaging: fotonen hebben van nature geen interactie met elkaar.

Hoewel deze functie nuttig is voor optische communicatie, beperkt het computertoepassingen ernstig. Niet-lineaire optische materialen bieden één benadering, door fotonische botsingen mogelijk te maken die kunnen worden gebruikt als hulpmiddel voor logica. (Een andere groep in het PHI Lab concentreert zich op zo'n materiaal, dunnefilmlithiumniobaat.) Het team onder leiding van Chervy werkt op een fundamenteler niveau. “De vraag die we stellen is in principe hoe ver je dit kunt pushen”, zei hij. “Als je een systeem zou hebben waarin de interacties of niet-lineariteit zo sterk zouden zijn dat één foton in het systeem de doorgang van een tweede foton zou blokkeren, zou dat een logische operatie zijn op het niveau van afzonderlijke kwantumdeeltjes, waardoor je in de gebied van kwantuminformatieverwerking. Dit is wat we probeerden te bereiken, door licht binnen beperkte excitonische toestanden te vangen.”

 Kortlevende excitonen hebben samenstellende elektrische ladingen (een elektron en een elektronengat), waardoor ze goede bemiddelaars zijn van interacties tussen fotonen. Het toepassen van elektrische velden om de beweging van excitonen te controleren op apparaten met een heterostructuur die een 2D-halfgeleidervlok bevatten (0.7 nanometer of drie atomen dik), Chervy, Murthy, et al. demonstreren verschillende geometrieën van insluiting, zoals kwantumstippen en kwantumringen. Het belangrijkste is dat deze insluitingslocaties worden gevormd op controleerbare posities en afstembare energieën. “De techniek in dit artikel laat zien dat je kunt beslissen WAAR je zult de exciton vangen, maar ook bij welke energie het zal vast komen te zitten, ‘zei Chervy.

 Schaalbaarheid is een andere doorbraak. "Je wilt een architectuur die kan worden opgeschaald naar honderden sites", zei Chervy. “Daarom is het van groot belang dat het elektrisch regelbaar is, omdat we weten hoe we spanningen op grote schaal moeten regelen. CMOS-technologieën zijn bijvoorbeeld erg goed in het regelen van poortspanningen op miljarden transistors. En onze architectuur verschilt qua aard niet van een transistor: we houden gewoon een goed gedefinieerde spanningspotentiaal over een klein kruispunt.”

 De onderzoekers geloven dat hun werk verschillende nieuwe richtingen opent, niet alleen voor toekomstige technologische toepassingen, maar ook voor de fundamentele natuurkunde. “We hebben de veelzijdigheid van onze techniek laten zien bij het elektrisch definiëren van kwantumstippen en ringen”, zegt Jenny Hu, hoofdcoauteur en Ph.D. van Stanford University. leerling (in De onderzoeksgroep van professor Tony Heinz). “Dit geeft ons een ongekend niveau van controle over de eigenschappen van de halfgeleider op nanoschaal. De volgende stap zal zijn om de aard van het licht dat door deze structuren wordt uitgezonden dieper te onderzoeken en manieren te vinden om dergelijke structuren te integreren in geavanceerde fotonica-architecturen.”

 Naast het uitvoeren van onderzoek naar quasideeltjes en niet-lineaire materialen, houden wetenschappers van PHI Lab zich bezig met werk rond de coherente Ising-machine (CIM), een netwerk van optische parametrische oscillatoren die zijn geprogrammeerd om problemen op te lossen die zijn toegewezen aan een Ising-model. PHI Lab-wetenschappers onderzoeken ook de neurowetenschappen vanwege de relevantie ervan voor nieuwe computationele raamwerken. Om deze ambitieuze agenda na te streven heeft het PHI Lab gezamenlijke onderzoeksovereenkomsten gesloten met het California Institute of Technology (Caltech), Cornell University, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Notre Dame University, Stanford University, Swinburne University of Technology , het Tokyo Institute of Technology en de Universiteit van Michigan. Het PHI Lab heeft ook een gezamenlijke onderzoeksovereenkomst gesloten met het NASA Ames Research Center in Silicon Valley.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://insidehpc.com/2024/03/ntt-research-phi-lab-scientists-achieve-quantum-control-of-excitons-in-2d-semiconductors/