Pesquisadores controlam propriedades quânticas de materiais 2D com luz personalizada

Modificação de bandgap seletivo de vale controlado por onda de luz. Crédito:Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07244-z

Uma equipe de cientistas desenvolveu um método que aproveita a estrutura da luz para distorcer e ajustar as propriedades dos materiais quânticos. Seus resultados, publicados hoje na Nature , abrem caminho para avanços na próxima geração de eletrônica quântica, computação quântica e tecnologia da informação.

A equipe, liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford, aplicou esse método a um material conhecido como nitreto de boro hexagonal (hBN), uma única camada de átomos dispostos em um padrão de favo de mel com propriedades que o tornam único. adequado para manipulação quântica. Nas suas experiências, os cientistas usaram um tipo especial de luz, cujo campo eléctrico se parece com um trevo, para alterar e controlar o comportamento do material a um nível quântico e numa escala de tempo ultrarrápida.

A forma como a onda de luz é distorcida também permite aos investigadores controlar com precisão as propriedades quânticas do material – regras que determinam o comportamento dos eletrões, que são essenciais para a eletricidade e o fluxo de dados. Essa capacidade de controlar propriedades quânticas sob demanda poderia abrir caminho para a criação de switches quânticos ultrarrápidos para tecnologias futuras.

“Nosso trabalho é semelhante a encontrar uma nova maneira de sussurrar para o mundo quântico e fazer com que ele nos revele seus segredos”, disse Shubhadeep Biswas, cientista do SLAC e da Universidade de Stanford que liderou a pesquisa.

As técnicas tradicionais muitas vezes exigem que a luz tenha a energia certa para trabalhar com um material, uma limitação que esta nova abordagem contorna de forma inteligente. Ao utilizar um tipo especial de luz e adaptar o seu padrão para corresponder ao padrão do material, os cientistas podem levar o material a novas configurações sem serem limitados pelas suas propriedades naturais.

"Esta luz estruturada não apenas ilumina o material; ela gira em torno dele, alterando suas propriedades quânticas sob demanda de uma forma que podemos controlar", disse Biswas.

Uma equipe de cientistas desenvolveu um método inovador que aproveita a estrutura da luz para distorcer e ajustar as propriedades dos materiais quânticos. A onda de luz estruturada e sua torção controlada quebram a simetria de reversão do tempo, levando à manipulação da estrutura da banda do material quântico. Crédito:Shubhadeep Biswas

Essa flexibilidade poderia permitir que o método funcionasse para uma ampla gama de aplicações, facilitando o desenvolvimento de novas tecnologias. Em essência, a equipe criou condições onde os elétrons se movem de maneiras novas e controláveis. Isso poderia, por exemplo, levar ao desenvolvimento de switches super-rápidos para computadores quânticos, que poderiam superar drasticamente o desempenho dos computadores que usamos hoje.

Além dos resultados imediatos, esta pesquisa é promissora para aplicações futuras no domínio da "valleytrônica", um campo que aproveita as propriedades quânticas dos elétrons que residem em diferentes vales de energia de um material para processamento de informações. Ao contrário das abordagens tradicionais que requerem luz compatível com esses vales de energia, o novo método é mais adaptável, oferecendo uma nova direção para o desenvolvimento de dispositivos quânticos.

A capacidade dos investigadores de manipular os vales quânticos no hBN pode levar a novos dispositivos, como interruptores quânticos ultrarrápidos, que operam não apenas no binário de 0s e 1s, mas na paisagem mais complexa da informação quântica. Isso permitirá formas mais rápidas e eficientes de processar e armazenar informações.

“Não se trata apenas de ligar e desligar um botão”, disse o colaborador Matthias F. Kling, diretor da divisão de P&D da LCLS. "Trata-se de criar um switch que possa existir em vários estados ao mesmo tempo, aumentando enormemente a potência e o potencial dos nossos dispositivos. Ele abre uma maneira totalmente nova de projetar as propriedades dos materiais em um nível quântico. As aplicações potenciais são vastas, variando da computação quântica às novas formas de processamento de informação quântica."

A pesquisa também lança luz sobre as formas fundamentais pelas quais os cientistas podem interagir e controlar o mundo quântico. Para os cientistas envolvidos, esta viagem ao reino quântico não se trata apenas da emoção da descoberta, mas de ultrapassar os limites do que é possível.

“Um dos aspectos mais interessantes é o enorme potencial das nossas descobertas”, disse Biswas. “Estamos à beira de uma nova era na tecnologia e apenas começando a explorar o que é possível quando aproveitamos o poder dos materiais quânticos.”

A equipe também incluiu pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat Munique na Alemanha; e Instituto de Ciência de Materiais de Madrid na Espanha.

Mais informações: Sambit Mitra et al, modelo Haldane controlado por ondas de luz em nitreto de boro hexagonal monocamada, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07244-z
Informações do diário: Natureza

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC

O aprendizado de máquina pode ajudar a revelar partículas não descobertas nos dados do Grande Colisor de Hádrons

Um resistor Hall quântico balanceado fornece um novo método de medição

Física