Cientistas do Laboratório Ames, Laboratório Nacional de Brookhaven, e a University of Alabama Birmingham descobriram um mecanismo de comutação induzido por luz em um semimetal Dirac. O mecanismo estabelece uma nova maneira de controlar o material topológico, impulsionado pelo movimento de ida e volta de átomos e elétrons, que permitirá transistor topológico e computação quântica usando ondas de luz.

Assim como os transistores e fotodiodos de hoje substituíram os tubos de vácuo há mais de meio século, os cientistas estão buscando um salto semelhante em princípios de design e novos materiais, a fim de obter recursos de computação quântica. A capacidade de computação atual enfrenta enormes desafios em termos de complexidade, consumo de energia, e velocidade; exceder os limites físicos alcançados à medida que os eletrônicos e os chips ficam mais quentes e mais rápidos, avanços maiores são necessários. Particularmente em pequenas escalas, tais questões tornaram-se os principais obstáculos para melhorar o desempenho.

"A engenharia topológica de ondas de luz busca superar todos esses desafios, impulsionando o movimento quântico periódico para guiar elétrons e átomos por meio de novos graus de liberdade, ou seja, topologia, e induzir transições sem aquecimento em frequências terahertz sem precedentes, definido como um trilhão de ciclos por segundo, taxas de clock, "disse Jigang Wang, um cientista sênior do Ames Laboratory e professor de física na Iowa State University. "Este novo princípio de controle coerente está em total contraste com quaisquer métodos de ajuste de equilíbrio usados ​​até agora, como elétrica, campos magnéticos e de tensão, que têm velocidades muito mais lentas e maiores perdas de energia. "

Adoção em larga escala de novos princípios computacionais, como a computação quântica, requer a construção de dispositivos nos quais os estados quânticos frágeis sejam protegidos de seus ambientes ruidosos. Uma abordagem é através do desenvolvimento de computação quântica topológica, em que os qubits são baseados em quasipartículas "protegidas por simetria" que são imunes ao ruído.

Contudo, os cientistas que estudam esses materiais topológicos enfrentam um desafio - como estabelecer e manter o controle desses comportamentos quânticos exclusivos de uma forma que torne possíveis aplicativos como a computação quântica. Neste experimento, Wang e seus colegas demonstraram que o controle usando luz para orientar estados quânticos em um semimetal Dirac, um material exótico que apresenta extrema sensibilidade devido à sua proximidade a uma ampla gama de fases topológicas.

"Conseguimos isso aplicando um novo princípio de controle quântico de luz conhecido como oscilações coerentes de fônon Raman seletivas de modo - conduzindo movimentos periódicos de átomos sobre a posição de equilíbrio usando pulsos de luz curtos, "diz Ilias Perakis, professor de física e catedrático da Universidade do Alabama em Birmingham. "Essas flutuações quânticas induzidas induzem transições entre estados eletrônicos com diferentes lacunas e ordens topológicas."

Uma analogia deste tipo de mudança dinâmica é o pêndulo de Kapitza periodicamente acionado, que pode fazer a transição para uma posição invertida, mas estável, quando a vibração de alta frequência é aplicada. O trabalho do pesquisador mostra que este princípio de controle clássico - conduzindo materiais a uma nova condição estável não encontrada normalmente - é surpreendentemente aplicável a uma ampla gama de fases topológicas e transições de fase quânticas.

"Nosso trabalho abre uma nova arena de eletrônica topológica de ondas de luz e transições de fase controladas por coerência quântica, "diz Qiang Li, Líder do Grupo de Materiais de Energia Avançada do Laboratório Nacional de Brookhaven. "Isso será útil no desenvolvimento de estratégias futuras de computação quântica e eletrônica com alta velocidade e baixo consumo de energia."

A espectroscopia e a análise dos dados foram realizadas no Laboratório Ames. A construção e análise do modelo foram parcialmente realizadas na Universidade do Alabama, Birmingham. O desenvolvimento da amostra e as medições do transporte magnético foram realizados no Laboratório Nacional de Brookhaven. Cálculos funcionais de densidade foram apoiados pelo Centro para o Avanço de Semimetais Topológicos, um DOE Energy Frontier Research Center no Ames Laboratory.

A pesquisa é discutida mais detalhadamente no artigo, "Coerência Raman impulsionada por luz como uma rota não térmica para comutação de topologia ultrarrápida em um semimetal Dirac, "de autoria de C. Vaswani, L.-L. Wang, D.H. Mudiyanselage, Q. Li, P. M. Lozano, G. Gu, D. Cheng, B. Song, L. Luo, R. H. J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, I.E. Perakis, Y. Yao, K. M. Ho, e J. Wang; e publicado em Revisão Física X .