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世界上最薄半导体晶体中光线传播研究取得进展

导读

据俄罗斯圣彼得堡国立大学官网近日报道,一支国际科研团队研究了光子是如何在世界上最薄的半导体晶体平面中传播的。这项研究成果为创造单原子光学晶体管开辟了道路,有望实现光速计算。

背景

在隐藏于笔记本电脑或者智能手机中的每个现代微型电路中,你都会看到晶体管。晶体管是一种小型半导体器件,它控制电流流动,即电子的流动。

晶体管(图片来源:维基百科)

如果用光子(光的基本粒子)取代电子,那么科学家们将有望创造出新型计算系统,这种系统将能够处理以接近光速流动的大量信息。


硅基量子光学芯片实验室(图片来源:布里斯托大学)

目前,在量子计算机中,光子被认为是传递信息的最佳方案。然而,这些仍然只是假想计算机。它们按照量子世界的规律运作,并且能比大多数最强大的超级计算机更加高效地解决某些问题。

左图:芯片上的频率梳,可产生可扩展的复杂量子纠缠状态。右上图:多光子纠缠的量子频率梳。右下图:光子芯片,兼容通用的半导体制造技术。(图片来源:加拿大魁北克大学国立科学研究院)

虽然创造量子计算机没有基本限制,但是科学家们仍然没有选择出哪种材料平台可以最方便且有效地实现量子计算机概念。目前,超导电路、冷原子、离子、钻石中的缺陷以及其他系统,为了被未来量子计算机选中而展开竞争。

创新

这一次,科学家们提出了半导体平台和二维晶体。近日,维尔茨堡大学(德国)、南安普顿大学(英国)、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学(法国)、亚利桑那大学(美国)、西湖大学(中国)、俄罗斯科学院约飞物理技术研究所、圣彼得堡国立大学的科学家们组成的国际科研团队研究了光子是如何在世界上最薄的半导体晶体平面中传播的。结果是,空间中的光线偏振分布类似于三色的海螺。物理学家们的研究成果为创造单原子光学晶体管(量子计算机的组件)开辟了道路,有望实现光速计算。研究论文发表在《自然纳米技术(Nature Nanotechnology)》期刊上。

技术

研究人员研究了光线在二硒化钼(MoSe2)二维晶体层中的传播。二硒化钼只有一个原子的厚度,是世界上最薄的半导体晶体。研究人员发现,偏振光在这种极细晶层中的传播取决于光线传播的方向。这个现象是由于晶体中的自旋轨道相互作用引起的。有意思的是,正如科学家们所指出的,这幅图展示的偏振光空间分布非同寻常,看上去像五彩缤纷的的海螺。

(图片来源:《Nature Nanotechnology》期刊)

实验中所用的非常精细的二硒化钼晶体是在维尔茨堡大学 Sven Höfling 教授实验室中合成的。它是欧洲最佳的晶体生长实验室之一。在圣彼得堡国立大学教授 Alexey Kavokin 的监督下,科学家们在维尔茨堡和圣彼得堡进行测量。Mikhail Glazov 在开发理论基础中扮演了重要角色。他是俄罗斯科学院的通信成员、圣彼得堡国立大学自旋光学实验室的雇员、约飞物理技术研究所的首席研究助理。

价值

圣彼得堡国立大学自旋光学实验室的领头人 Alexey Kavokin 教授表示:“我预见,在不久的将来,二维单原子晶体将用于量子设备中的信息传输。对于经典的计算机与超级计算机需要花很长时间才能完成的任务来说,量子计算设备完成起来非常快。因此,量子技术有着巨大的危险,可以与原子弹的危险相提并论。例如,在量子技术的帮助下,非常迅速地非法入侵银行保护系统将成为可能。这就是如今密集的研究工作在进行的原因所在。这些工作包括创造保护量子设备的手段,即量子加密技术。而我们的工作主要为半导体量子技术作出了贡献。”

此外,正如科学家们所提到的,这项研究是朝着研究光诱导(即出现在光线下)的超导性迈出的重要一步。当材料允许电流以零电阻通过时,超导现象就发生了。目前,这种状态无法在零下70摄氏度以上的温度条件下实现。可是,如果找到合适的材料,这项发现有可能将电力零损耗地传输到地球上的任何位置,并创造出新一代的电动马达。应该被记住的是,2018年3月,Alexey Kavokin 的研究团队曾预测,含有超导金属(例如铝)的结构,有助于解决这个问题。如今,圣彼得堡国立大学的科学家们正在寻找途径获取他们理论的实验证据。

关键字

光学、量子、超导

参考资料

【1】http://english.spbu.ru/news/3015-three-colour-rapana-physicists-have-let-light-through-the-plane-of-the-world-s-thinnest-semiconductor-crystal

· 2019-07-25 13:40  本新闻来源自:互联网,版权归原创方所有

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