Sunnyvale, Califórnia – 26 de março de 2024 – Pesquisa NTT, Inc., uma divisão da NTT (TYO:9432), anunciou hoje que cientistas de sua Laboratório de Física e Informática (PHI) alcançaram o controle quântico de funções de onda de excitons em semicondutores bidimensionais (2D). Em artigo publicado em Os avanços da ciência, uma equipe liderada pelo cientista pesquisador do PHI Lab, Thibault Chervy, e pelo professor da ETH Zurich, Puneet Murthy, documentou seu sucesso na captura de excitons em várias geometrias, incluindo pontos quânticos, e no controle deles para obter ajuste de energia independente em matrizes escaláveis.

Este avanço foi alcançado no PHI Lab em colaboração com cientistas da ETH Zurich, da Universidade de Stanford e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão. Os excitons, que são formados quando um material absorve fótons, são cruciais para aplicações que vão desde a coleta e geração de luz até o processamento de informações quânticas. No entanto, alcançar um controle preciso sobre seu estado da mecânica quântica tem sido atormentado por problemas de escalabilidade devido a limitações nas técnicas de fabricação existentes. Em particular, o controle sobre a posição e a energia dos pontos quânticos tem sido um grande obstáculo à expansão para aplicações quânticas. Este novo trabalho abre possibilidades para a dinâmica de engenharia de excitons e interações em escala nanométrica, com implicações para dispositivos optoeletrônicos e óptica quântica não linear.

 Pontos quânticos, cuja descoberta e síntese foram reconhecidas em um Prêmio Nobel 2023, já foram implantados em exibições de vídeo de próxima geração, marcadores biológicos, esquemas criptográficos e outros lugares. Sua aplicação à computação óptica quântica, um foco da agenda de pesquisa do PHI Lab, entretanto, tem sido até agora limitada a sistemas de escala muito pequena. Em contraste com os computadores digitais atuais que executam a lógica booleana usando capacitores para bloquear elétrons ou permitir que fluam, a computação óptica enfrenta este desafio: os fótons, por natureza, não interagem entre si.

Embora esse recurso seja útil para comunicação óptica, ele limita severamente as aplicações computacionais. Os materiais ópticos não lineares oferecem uma abordagem, permitindo a colisão fotônica que pode ser usada como recurso para a lógica. (Outro grupo no PHI Lab está se concentrando em um desses materiais, o niobato de lítio de película fina.) A equipe liderada por Chervy está trabalhando em um nível mais fundamental. “A questão que abordamos é basicamente até onde você pode levar isso”, disse ele. “Se você tivesse um sistema onde as interações ou a não linearidade fossem tão fortes que um fóton no sistema bloquearia a passagem de um segundo fóton, isso seria como uma operação lógica no nível de partículas quânticas únicas, o que o colocaria no domínio do processamento quântico de informações. Isto é o que tentamos alcançar, prendendo a luz em estados excitônicos confinados.”

 Os excitons de vida curta possuem cargas elétricas constituintes (um elétron e um buraco de elétron), o que os torna bons mediadores de interações entre fótons. Aplicando campos elétricos para controlar o movimento de excitons em dispositivos heteroestruturados que apresentam um floco semicondutor 2D (0.7 nanômetros ou três átomos de espessura), Chervy, Murthy, et al. demonstrar diferentes geometrias de contenção, como pontos quânticos e anéis quânticos. Mais significativamente, estes locais de contenção são formados em posições controláveis ​​e energias ajustáveis. “A técnica neste artigo mostra que você pode decidir onde você irá capturar o exciton, mas também em que energia ele ficará preso”, disse Chervy.

 A escalabilidade é outro avanço. “Você quer uma arquitetura que possa ser ampliada para centenas de sites”, disse Chervy. “Por isso o fato de ser controlável eletricamente é muito importante, porque sabemos controlar tensões em larga escala. Por exemplo, as tecnologias CMOS são muito boas no controle de tensões de porta em bilhões de transistores. E nossa arquitetura não é de natureza diferente de um transistor – estamos apenas mantendo um potencial de tensão bem definido através de uma pequena junção.”

 Os investigadores acreditam que o seu trabalho abre várias novas direções, não apenas para futuras aplicações tecnológicas, mas também para a física fundamental. “Mostramos a versatilidade de nossa técnica na definição elétrica de pontos quânticos e anéis”, disse Jenny Hu, coautora principal e Ph.D. estudante (em Grupo de Pesquisa do Professor Tony Heinz). “Isso nos dá um nível de controle sem precedentes sobre as propriedades do semicondutor em nanoescala. O próximo passo será investigar mais profundamente a natureza da luz emitida por essas estruturas e encontrar maneiras de integrá-las em arquiteturas fotônicas de ponta.”

 Além de conduzir pesquisas em quase partículas e materiais não lineares, os cientistas do PHI Lab estão envolvidos no trabalho em torno da máquina de Ising coerente (CIM), uma rede de osciladores paramétricos ópticos programados para resolver problemas mapeados em um modelo de Ising. Os cientistas do PHI Lab também estão explorando a neurociência por sua relevância para novas estruturas computacionais. Na prossecução desta agenda ambiciosa, o PHI Lab chegou a acordos de investigação conjunta com o Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), a Universidade de Cornell, a Universidade de Harvard, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), a Universidade de Notre Dame, a Universidade de Stanford, a Universidade de Tecnologia de Swinburne. , o Instituto de Tecnologia de Tóquio e a Universidade de Michigan. O PHI Lab também firmou um acordo de pesquisa conjunta com o Centro de Pesquisa Ames da NASA no Vale do Silício.

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