Powstaną przełomowe komputery kwantowe zbudowane z grafenu?

Nadchodzi valleytronika. Komputery kwantowe działające w temperaturze pokojowej

Już wkrótce mogą powstać małe komputery kwantowe działające w temperaturze pokojowej. Wszystko dzięki valleytronice.

Valleytronika (valley, czyli dolina) to młoda dziedzina, w którym to doliny energetyczne, czyli lokalne minima w strukturze pasma energetycznego ciała stałego, są wykorzystywane do kodowania, przetwarzania i przechowywania informacji kwantowej. Przez długi czas uważano, że grafen nie nadaje się do valleytroniki (ze względu na symetryczną strukturę), ale naukowcy z Indian Institute of Technology Bombay wykazali, że jest inaczej. Osiągnięcia te mogą pozwolić na stworzenie niewielkich komputerów kwantowych, które na dodatek mogłyby działać w temperaturze pokojowej. Jak to możliwe?

Czym jest pseudospin dolinowy?

Mimo iż w ostatnich latach można było zaobserwować prawdziwy boom w rozwoju gadżetów elektronicznych, istniejące komponenty osiągnęły swoje granice. Dalszy postęp będzie wymagał opracowania nowych wariantów elektroniki, a jednym z ciekawszych rozwiązań jest valleytronika.

Niestety, istniejące obecnie komputery kwantowe, należące do Google, IBM czy Microsoftu, nie są w stanie działać w temperaturze pokojowej. Trzeba je schładzać do -196,1oC, co jest kosztowne i niepraktyczne. Tu na scenę wkracza valleytronika, która komputery kwantowe może upowszechnić.

Poza ładunkiem, elektrony mają jeszcze jeden parametr, którym fizycy mogą manipulować – tzw. pseudospin dolinowy, który podobnie jak spin w tradycyjnych półprzewodnikach może zostać wykorzystany do magazynowania informacji kwantowej. Pseudospin dolinowy można łatwo kontrolować optycznie, ale do tej pory sporym ograniczeniem w jego wykorzystaniu wydawał się być bardzo krótki czas życia optycznie aktywnych par elektron-dziura (ekscytonów jasnych) – zaledwie kilka pikosekund.

Łamanie symetrii grafenu

Uczeni z Indian Institute of Technology Bombay w Indiach i Max-Born Institut w Niemczech dokonali przełomu w dziedzinie valleytroniki. Wyniki badań opublikowane w Optica wskazują na możliwość kontrolowania operacji dolinowych w grafenie, co przez długi czas było uważane za niemożliwe.

Grafen jest zbudowany z atomów węgla w układzie heksagonalnym i ma wiele ciekawych właściwości. Warstwy grafenu o grubości pojedynczej warstwy atomów mają doliny elektronowe, ale ze względu na symetrię materiału, uznano je za bezużyteczne dla tego typu operacji.

Fizykom udało się złamać symetrię dolin grafenu za pomocą światła. Co najciekawsze, operacje te mogą być przeprowadzane w temperaturze pokojowej.

Dostosowując polaryzację dwóch wiązek światła zgodnie z trójkątną siatką grafenu, odkryliśmy, że możliwe jest złamanie symetrii pomiędzy dwoma sąsiadującymi atomami węgla i wykorzystanie struktury pasma elektronowego w regionach w pobliżu dolin, wywołując polaryzację dolinową. Umożliwia to wykorzystanie dolin grafenu do efektywnego „zapisywania” informacji.

Prof. Gopal Dixit z IIT Bombay

Impulsy światła mogą powodować transport elektronów kilkaset trylionów razy na sekundę. W teorii oznacza to, że możliwa jest valleytronika z częstotliwością petahertzową, która milion razy przewyższa współczesne prędkości obliczeniowe.