By Kunci untuk mengembangkan elektronika kuantum mungkin adalah adanya beberapa kendala. Menurut tim yang dipimpin oleh para peneliti di Penn State, itu bukan hal yang buruk jika menyangkut kontrol yang tepat yang dibutuhkan untuk membangun dan mengoperasikan perangkat tersebut, termasuk sensor dan laser yang canggih.
WAHANAMEDIA.COM –Para peneliti di Penn State sedang mengembangkan elektronika kuantum tingkat lanjut menggunakan keadaan kink, yang merupakan jalur elektron unik dalam bahan semikonduktor.
Mereka mengembangkan elektronika canggih menggunakan sesuatu yang disebut kink states, yang merupakan jalur khusus untuk elektron dalam suatu material.
Jalur ini dapat membantu menciptakan jaringan untuk informasi kuantum, yang penting untuk elektronika generasi mendatang.
Keadaan ini berpotensi membentuk tulang punggung jaringan kuantum yang saling terhubung, yang penting untuk mentransmisikan informasi kuantum secara efisien. Tim telah membuat kemajuan signifikan dalam mengendalikan keadaan ini melalui kombinasi inovatif antara bahan dan desain perangkat, yang meningkatkan potensi elektronik kuantum yang dapat diskalakan.
Kunci untuk mengembangkan elektronika kuantum mungkin adalah adanya beberapa kendala. Menurut tim yang dipimpin oleh para peneliti di Penn State, itu bukan hal yang buruk jika menyangkut kontrol yang tepat yang dibutuhkan untuk membangun dan mengoperasikan perangkat tersebut, termasuk sensor dan laser yang canggih.
Para peneliti menciptakan sakelar untuk menghidupkan dan mematikan keberadaan kekusutan, yang merupakan jalur penghantar listrik di tepi bahan semikonduktor. Dengan mengendalikan pembentukan kekusutan, para peneliti dapat mengatur aliran elektron dalam sistem kuantum.
Menjelajahi Keadaan Kink untuk Informasi Kuantum
“Kami membayangkan membangun jaringan interkoneksi kuantum menggunakan status kink sebagai tulang punggungnya,” kata pemimpin tim Jun Zhu, seorang profesor fisika di Penn State. Zhu juga berafiliasi dengan Pusat Material Berlapis 2 Dimensi Penn State.
“Jaringan semacam itu dapat digunakan untuk membawa informasi kuantum pada chip dalam jarak jauh, yang merupakan sesuatu yang tidak dapat dilakukan oleh kabel tembaga klasik karena memiliki resistansi dan karenanya tidak dapat mempertahankan koherensi kuantum,” imbuhnya.
Karya tersebut, yang baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Sainsberpotensi menyediakan landasan bagi para peneliti untuk terus menyelidiki keadaan kink dan penerapannya dalam perangkat optik kuantum elektron dan komputer kuantum.
Mekanika Switch dan Efek Hall Lembah Kuantum
“Sakelar ini beroperasi secara berbeda dari sakelar konvensional, di mana arus listrik diatur melalui gerbang, mirip dengan lalu lintas melalui gerbang tol. Di sini, kami membongkar dan membangun kembali jalan itu sendiri,” terang Zhu.
Keadaan tekukan itu terjadi dalam perangkat kuantum yang dibuat dengan material yang dikenal sebagai lapisan ganda Bernal. grafena. Terdiri dari dua lapisan karbon tipis yang ditumpuk bersama-sama, sehingga atom-atom dalam satu lapisan tidak sejajar dengan atom-atom di lapisan lainnya. Susunan ini, bersama dengan penggunaan medan listrik, menciptakan sifat-sifat elektronik yang tidak biasa — termasuk efek Hall lembah kuantum.
Efek ini mengacu pada fenomena elektron yang menempati berbagai keadaan “lembah” — diidentifikasi berdasarkan energinya dalam kaitannya dengan momentumnya — juga bergerak dalam arah maju dan mundur yang berlawanan. Keadaan bengkok merupakan manifestasi dari efek Hall lembah kuantum.
Integrasi Material Canggih dan Aplikasi Kuantum
“Hal yang menakjubkan tentang perangkat kami adalah kami dapat mencegah elektron yang bergerak ke arah berlawanan agar tidak bertabrakan satu sama lain — disebut hamburan balik — meskipun mereka berbagi jalur yang sama,” papar penulis pertama Ke Huang, seorang mahasiswa pascasarjana yang sedang mengejar gelar doktor dalam bidang fisika di Penn State di bawah bimbingan Zhu. “Hal ini konsisten dengan pengamatan nilai resistansi ‘terkuantisasi’, yang merupakan kunci untuk aplikasi potensial keadaan tertekuk sebagai kabel kuantum untuk mengirimkan informasi kuantum.”
Meskipun lab Zhu telah menerbitkan tentang kondisi kink sebelumnya, mereka hanya mencapai kuantisasi efek Hall lembah kuantum dalam pekerjaan saat ini setelah meningkatkan kebersihan elektronik perangkat, yang berarti mereka menghilangkan sumber yang dapat memungkinkan elektron yang bergerak ke arah yang berlawanan untuk bertabrakan.
Mereka melakukan ini dengan menggabungkan tumpukan boron nitrida/grafit heksagonal yang bersih sebagai gerbang global — atau mekanisme yang dapat memungkinkan elektron mengalir — ke dalam perangkat.
Baik grafit maupun boron nitrida heksagonal merupakan senyawa yang umum digunakan sebagai pelumas untuk cat, kosmetik, dan lain-lain. Grafit menghantarkan listrik dengan baik sedangkan boron nitrida heksagonal merupakan isolator. Para peneliti menggunakan kombinasi ini untuk menahan elektron dalam keadaan tertekuk dan mengendalikan alirannya.
Masa Depan dalam Elektronika Kuantum
“Penggabungan tumpukan boron nitrida/grafit heksagonal sebagai gerbang global sangat penting untuk menghilangkan hamburan balik elektron,” kata Huang, seraya mencatat bahwa penggunaan material ini merupakan kemajuan teknis utama dari studi saat ini.
Para peneliti juga menemukan bahwa kuantisasi keadaan tertekuk tetap ada bahkan ketika suhu dinaikkan hingga beberapa puluh Kelvin, satuan ilmiah suhu. Nol Kelvin sama dengan -460 derajat. derajat fahrenheit.
“Efek kuantum sering kali rapuh dan hanya bertahan pada suhu kriogenik beberapa Kelvin,” kata Zhu. “Semakin tinggi suhu yang dapat kita gunakan untuk membuatnya berfungsi, semakin besar kemungkinan untuk digunakan dalam aplikasi.”
Para peneliti menguji coba sakelar mereka secara eksperimental dan menemukan bahwa sakelar itu dapat mengontrol aliran arus secara cepat dan berulang. Sakelar itu melengkapi persenjataan gawai elektronik kuantum berbasis kink-state yang membantu mengontrol dan mengarahkan elektron — katup, pemandu gelombang, pemisah berkas — yang sebelumnya telah dibuat oleh lab Zhu.
“Kami telah mengembangkan sistem jalan raya kuantum yang dapat mengangkut elektron tanpa tabrakan, dapat diprogram untuk mengarahkan aliran arus, dan berpotensi dapat diskalakan — yang semuanya memberikan landasan yang kokoh untuk studi masa depan yang mengeksplorasi ilmu dasar dan aplikasi potensial dari sistem ini,” kata Zhu. “Tentu saja, kami masih memiliki jalan panjang untuk mewujudkan sistem kuantum yang saling terhubung.”
Zhu mencatat bahwa tujuan labnya berikutnya adalah untuk menunjukkan bagaimana elektron berperilaku seperti gelombang koheren saat bergerak sepanjang jalan raya yang berliku-liku.
Referensi: “Efek Hall lembah kuantum suhu tinggi dengan resistansi terkuantisasi dan sakelar topologi” oleh Ke Huang, Hailong Fu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi dan Jun Zhu, 18 Juli 2024, Sains.
DOI: 10.1126/sains.adj3742
Penulis lainnya termasuk Hailong Fu, mantan sarjana pascadoktoral dan Eberly Fellow di bidang fisika di Penn State, dan asisten profesor saat ini di Universitas Zhejiang, Tiongkok; dan Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi, keduanya dari Institut Nasional Ilmu Material di Jepang.
Yayasan Sains Nasional AS, Departemen Energi AS, Beasiswa Penelitian Eberly Penn State, Inisiatif Baru Kaufman dari Yayasan Pittsburgh, Masyarakat Jepang untuk Kemajuan Sains, dan Inisiatif Penelitian Internasional Utama Dunia dari Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Sains, dan Teknologi Jepang mendanai penelitian tersebut.
Berbagai sumber
