Ein Quanten „Wundermaterial“ könnte Magnetic Switching unterstützen, hat ein Forscherteam der University of Rainsburg und der University of Michigan gezeigt.
Diese kürzlich entdeckte Fähigkeit könnte dazu beitragen, Anwendungen in Quantum Computing, Sensing und mehr zu ermöglichen. Während frühere Studien feststellten, dass Quantenentitäten, die als Exzitonen bezeichnet werden, manchmal effektiv auf eine einzelne Linie innerhalb des Materialsulfidbromids beschränkt sind, liefert die neue Forschung eine gründliche theoretische und experimentelle Demonstration, die erklärt, wie dies mit der magnetischen Reihenfolge des Materials verbunden ist.
Chromsulfidbromid ist für Quantenforscher aufregend, da es nahezu alle Möglichkeiten unterstützen kann, wie Informationen physikalisch codiert werden: In elektrischer Ladung, Photonen (Licht), Magnetismus (Elektronenspins) und Phononen (Vibrationen wie Klang).
„Die Langzeitvision ist, dass Sie möglicherweise Quantenmaschinen oder Geräte erstellen können, die diese drei oder sogar alle vier dieser Eigenschaften verwenden: Photonen, um Informationen zu übertragen, Elektronen zur Verarbeitung von Informationen durch ihre Interaktionen, Magnetismus zum Speichern von Informationen und Phononen, um sie zu modulieren, um Informationen zu speichern und Übertragung von Informationen in neue Frequenzen “, sagte Mackillo Kira, UM -Professor für Elektro- und Computertechnik.
Eine der Möglichkeiten, wie Chromsulfidbromid Quanteninformationen codieren könnte, sind Exzitonen. Ein Exziton bildet sich, wenn ein Elektron im Halbleiter aus seinem „Boden“ -Energiezustand in einen höheren Energiezustand bewegt wird und ein „Loch“ hinterlässt. Das Elektron und das Loch werden zusammen gepaart, und dieser kollektive Zustand ist ein Exziton.
Die Exzitonen sind in einzelnen Schichten durch die ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften von Chromsulfid Bromid gefangen. Das Material besteht aus Schichten, nur ein paar Atome dick, wie molekulares Phyllo -Gebäck. Bei niedrigen Temperaturen unter 132 Kelvin (-222 Fahrenheit) werden die Schichten magnetisiert-die Spins der Elektronen richten sich miteinander aus. Die Richtung des Magnetfeldes schaltet von einer Schicht zur nächsten in die entgegengesetzte Richtung. Dies ist eine antiferromagnetische Struktur.
Über 132 Kelvin ist das Material nicht magnetisiert – die Wärme hält die Elektronenspins davon ab, ausgerichtet zu bleiben, sodass sie in zufällige Richtungen verweisen. Im unmagnetisierten Zustand sind die Exzitonen nicht gefangen, sondern erstrecken sich über mehrere atomare Schichten, wodurch sie dreidimensional sind. Sie können sich auch in jede Richtung bewegen.
Wenn die antiferromagnetische Struktur Exzitonen auf eine einzelne Atomschicht beschränkt, sind die Exzitonen weiter auf eine einzelne Linie – eine einzelne Dimension – beschränkt, da sie sich leicht entlang einer der beiden Achsen der Ebene bewegen können. In einem Quantengerät hilft diese Einschränkung, die Quanteninformationen länger zu halten, da die Exzitonen weniger miteinander kollidieren und die Informationen verlieren, die sie tragen.
„Die magnetische Ordnung ist ein neuer Tuning -Knopf für die Gestaltung von Exzitonen und ihre Interaktionen. Dies könnte ein Spielveränderer für zukünftige Elektronik und Informationstechnologie sein“, sagte Rupert Huber, Professor für Physik an der Universität Regensburg in Deutschland.
Das experimentelle Team unter der Leitung von Huber produzierte Exzitonen in einer Probe von Chromsulfidbromid, indem er es mit Hämmerung von Infrarot -Licht nur 20 Quadrillionen von einer zweiten Länge schlug. Dann verwendeten sie einen weiteren Infrarotlaser mit weniger energetischen Impulsen, um die Exzitonen in etwas höhere Energiezustände zu schieben. Auf diese Weise stellten sie fest, dass es zwei Variationen der Exzitonen mit überraschend unterschiedlichen Energien gibt – wenn sie normalerweise identische Energien hätten. Diese Aufteilung eines Energiezustands ist als Feinstruktur bekannt.
Das Team untersuchte auch, wie das Material im Weltraum variiert, indem sie diese weniger energetischen Impulse entlang von zwei verschiedenen Achsen innerhalb des Materials schießen, um die inneren Strukturen von Exzitonen zu untersuchen. Dieser Ansatz zeigte die stark richtungsabhängigen Exzitonen, die entweder auf eine Linie beschränkt oder in drei Dimensionen erweitert werden könnten. Diese Konfigurationen können basierend auf den magnetischen Zuständen eingestellt werden, die durch externe Magnetfelder oder Temperaturänderungen schaltbar sind.
„Da die elektronischen, photonischen und Spingrade der Freiheit stark verflochten sind, könnte es als äußerst schneller Weg zur Umwandlung von Photon- und Spin-basierten Quanteninformationen dienen, zwischen einem magnetisierten und einem nicht magnetisierten Zustand zu wechseln“ und Computertechnik und Co-First-Autor mit Marlene Liebich, Ph.D. Kandidat für Physik an der Universität Regensburg.
Das von Kira angeführte Theorie-Team erklärte diese Ergebnisse mit Quantenberechnungen mit vielen Bodtigen. Die Berechnungen verwendeten die Struktur des Materials, um systematisch die außergewöhnlich große feinstrukturierte Aufteilung in dem magnetisch geordneten Material und die Übergänge zwischen den beiden Exzitonenzuständen vorzusagen, wenn das Material in die magnetische Reihenfolge überging und herausgab. Sie bestätigten auch, dass der Übergang von eindimensional zu dreidimensionalen Exzitonen die wesentlichen Änderungen ausmachte, die bei der Aufnahme von Exzitonen beobachtet wurden, da die größeren und mobileren Exzitonen mehr Möglichkeiten zum Kollidieren haben.
Eine der großen Fragen, die das Team verfolgen will, ist, ob diese Exzitonen, die die verantwortliche Trennung verkörpert, in magnetische Anregungen umgewandelt werden können, die in Elektronenspins verkörpert werden. Wenn dies erledigt werden kann, würde es eine nützliche Möglichkeit für die Umwandlung von Quanteninformationen zwischen den sehr unterschiedlichen Welten von Photonen, Exzitonen und Spins bieten.
Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsstiftung, der National Science Foundation, der Air Force Office für wissenschaftliche Forschung und der Advanced Research Computing Resources von UM unterstützt.
Forscher der Universität für Chemie und Technologie Prag in der Tschechischen Republik und die Dresden University of Technology in Deutschland haben ebenfalls zur Studie beigetragen.
