Optik och elektronik är sammanlänkade av ett kvantfenomen

En internationell forskargrupp ledd av professor Ralph Claessen, kvantfysiker från Würzburg och medtalesman för ct.qmat, har nu gjort en avgörande upptäckt. "För första gången har vi kunnat generera och experimentellt detektera kvasipartiklar som kallas excitoner i en topologisk isolator. Vi har därför skapat en ny verktygslåda för  som kan användas för att styra elektroner optiskt, säger Claessen. "Denna princip kan bli grunden för en ny typ av elektroniska komponenter."

Kredit: University of Würzburg

Excitoner är elektroniska kvasipartiklar. Även om de verkar bete sig som oberoende partiklar, representerar de faktiskt ett upphetsat elektroniskt tillstånd som bara kan genereras i vissa typer av kvantmateria. "Vi skapade excitoner genom att applicera en kort ljuspuls på en tunn film som består av bara ett enda lager av atomer", förklarar Claessen. Vad som är ovanligt med detta, säger han, är att excitonerna aktiverades i en topologisk isolator - något som inte var möjligt tidigare. "Detta har öppnat upp en helt ny forskningslinje för topologiska isolatorer", tillägger Claessen.

I cirka tio år har excitoner undersökts i andra tvådimensionella halvledare och betraktats som informationsbärare för ljusdrivna komponenter. "För första gången har vi lyckats excitera excitoner optiskt i en topologisk isolator. Samspelet mellan ljus och excitoner gör att vi kan förvänta oss nya fenomen i sådana material. Den här principen skulle till exempel kunna användas för att generera qubits, säger Claessen.

Qubits är beräkningsenheter för kvantchips. De är mycket överlägsna traditionella bitar och gör det möjligt att lösa uppgifter inom några minuter som konventionella superdatorer bokstavligen skulle ta år för.i Att använda ljus istället för elektrisk spänning möjliggör kvantchips med mycket snabbare bearbetningshastigheter. De senaste rönen banar därför vägen för framtiden  och en ny generation av ljusdrivna enheter inom mikroelektronik.

Global expertis från Würzburg

Rätt utgångsmaterial är avgörande – i det här fallet vismuten. "Det är det tunga syskonet till mirakelmaterialet grafen", säger Claessen, som först skräddarsydda den topologiska isolatorn i labbet för fem år sedan. "Vi är världsledande inom detta område", tillägger han.

"På grund av vår sofistikerade materialdesign är atomerna i det enda lagret av vismuten arrangerade i ett bikakemönster, precis som grafen. Skillnaden är att vismutens tunga atomer gör den till en topologisk , vilket betyder att den kan leda elektricitet längs kanten utan förlust – även vid rumstemperatur. Detta kan inte göras med grafen."

Stor potential

Nu när forskargruppen har genererat excitoner i en  för första gången riktas uppmärksamheten mot själva kvasipartiklarna.

Forskare på ct.qmat undersöker om bismutens topologiska egenskaper överförs till excitoner. Att bevisa detta vetenskapligt är nästa milstolpe som forskarna har siktet inställt på. Det kan till och med bana väg för konstruktionen av topologiska qubits, som anses vara särskilt robusta jämfört med deras icke-topologiska motsvarigheter.

källa: En ny milstolpe för ljusdriven elektronik

Översätt "