Une nouvelle méthode électrique permettant de modifier facilement la direction du flux d’électrons dans certains matériaux quantiques pourrait avoir des implications pour le développement d’appareils électroniques et d’ordinateurs quantiques de nouvelle génération. Une équipe de chercheurs de Penn Condition a développé et démontré la méthode dans des matériaux présentant l’effet Corridor anormal quantique (QAH), un phénomène dans lequel le flux d’électrons le very long du bord d’un matériau ne perd pas d’énergie. L’équipe a décrit le travail dans un posting paru aujourd’hui (19 octobre) dans la revue Character Resources.
« À mesure que les appareils électroniques deviennent plus petits et que les exigences informatiques augmentent, il est de as well as en in addition critical de trouver des moyens d’améliorer l’efficacité du transfert d’informations, ce qui inclut le contrôle du flux d’électrons », a déclaré Cui-Zu Chang, professeur en début de carrière à Henry W. Knerr et professeur agrégé de physique à Penn State et auteur co-correspondant de l’article. « L’effet QAH est prometteur car or truck il n’y a aucune perte d’énergie lorsque les électrons circulent le extended des bords des matériaux. »
En 2013, Chang a été le leading à démontrer expérimentalement ce phénomène quantique. Les matériaux présentant cet effet sont appelés isolants QAH, qui sont un variety d’isolant topologique – une fine couche de film de seulement quelques douzaines d’atomes d’épaisseur – qui ont été rendus magnétiques de sorte qu’ils ne conduisent le courant que sur leurs bords. Étant donné que les électrons se déplacent proprement dans une path, l’effet est dit sans dissipation, ce qui signifie qu’aucune énergie n’est perdue sous forme de chaleur.
« Dans un isolant QAH, les électrons d’un côté du matériau se déplacent dans une direction, tandis que ceux de l’autre côté se déplacent dans la path opposée, comme sur une autoroute à deux voies », a expliqué Chang. « Nos travaux antérieurs ont démontré remark augmenter l’effet QAH, en créant essentiellement une autoroute à plusieurs voies pour un transport plus rapide des électrons. Dans cette étude, nous développons une nouvelle méthode électrique pour contrôler la direction de transport de l’autoroute des électrons et permettre à ces électrons de se déplacer. faire demi-tour immédiatement. »
Les chercheurs ont fabriqué un isolant QAH doté de propriétés spécifiques et optimisées. Ils ont découvert que l’application d’une impulsion de courant de 5 millisecondes à l’isolant QAH avait un affect sur le magnétisme interne du matériau et faisait changer de direction les électrons. La capacité de changer de way est essentielle pour optimiser le transfert, le stockage et la récupération d’informations dans les systems quantiques. Contrairement à l’électronique actuelle, où les données sont stockées dans un état binaire activé ou désactivé (un ou zéro), les données quantiques peuvent être stockées simultanément dans une gamme d’états possibles. Changer le flux d’électrons est une étape importante dans l’écriture et la lecture de ces états quantiques.
« La méthode précédente pour changer la route du flux d’électrons reposait sur un aimant externe pour modifier le magnétisme du matériau, mais l’utilisation d’aimants dans des appareils électroniques n’est pas idéale », a déclaré Chao-Xing Liu, professeur de physique à Penn Point out et co-auteur correspondant. du papier. « Les aimants volumineux ne sont pas pratiques pour les petits appareils comme les smartphones, et un interrupteur électronique est généralement beaucoup moreover rapide qu’un interrupteur magnétique. Dans ce travail, nous avons trouvé une méthode électronique pratique pour changer la route du flux d’électrons. »
Les chercheurs ont précédemment optimisé l’isolant QAH afin de pouvoir profiter d’un mécanisme physique du système pour contrôler son magnétisme interne.
« Pour rendre cette méthode efficace, nous devions augmenter la densité du courant appliqué », a déclaré Liu. « En rétrécissant les dispositifs isolants QAH, l’impulsion de courant a entraîné une densité de courant très élevée qui a changé la direction de la magnétisation, ainsi que la path de la voie de transport des électrons. »
Ce passage du contrôle magnétique au contrôle électronique dans les matériaux quantiques, selon les chercheurs, est similaire à un changement qui s’est produit dans le stockage de mémoire traditionnel : alors que le stockage d’informations sur les disques durs et les disquettes d’origine impliquait l’utilisation d’aimants pour créer un champ magnétique. champ et écrire des données, les nouvelles « mémoires flash » telles que celles utilisées dans les clés USB, les disques durs SSD et les smartphones sont écrites électroniquement. De nouvelles technologies prometteuses pour augmenter la mémoire, telles que la MRAM, reposent également sur des mécanismes physiques liés au magnétisme interne.
Au-delà de la démonstration expérimentale, l’équipe de recherche a également fourni une interprétation théorique de leur méthodologie.
L’équipe étudie actuellement comment interrompre le trajet des électrons, essentiellement pour allumer et éteindre le système. Ils cherchent également à démontrer l’effet QAH à des températures moreover élevées.
« Cet effet, ainsi que les exigences actuelles en matière d’ordinateurs quantiques et de supraconducteurs, nécessitent des températures très basses proches du zéro absolu », a déclaré Chang. « Notre objectif à extended terme est de reproduire l’effet QAH à des températures additionally pertinentes sur le program technologique. »
Outre Chang et Liu, l’équipe de recherche de Penn Point out au second de la recherche comprend les chercheurs postdoctoraux Wei Yuan, Yang Wang et Hemian Yi les étudiants diplômés Ling-Jie Zhou, Kaijie Yang, Yi-Supporter Zhao, Ruoxi Zhang, Zijie Yan, Deyi Zhuo et Ruobing Mei Morteza Kayyalha, professeur adjoint de génie électrique et Moses Chan, professeur émérite de physique à l’Université Evan Pugh.
Le Bureau de recherche de l’Armée, le Bureau de recherche scientifique de l’Armée de l’Air et la Countrywide Science Basis (NSF) ont financé cette recherche. Le Centre de recherche sur les matériaux et l’ingénierie pour la science à l’échelle nanométrique de Penn Condition, financé par la NSF, et l’initiative EPiQS de la Fondation Gordon et Betty Moore ont fourni un soutien supplémentaire.
