Un'immagine al microscopio elettronico a scansione mostra disolfuro di tungsteno cresciuto su un substrato di zaffiro (area chiara). L'area grigia media mostra disolfuro di tungsteno monostrato e l'area scura mostra disolfuro di tungsteno multistrato. Dopo aver coltivato il disolfuro di tungsteno sullo zaffiro, i ricercatori lo trasferiscono sul solfuro di europio. Credito:Chuan Zhao / Università di Buffalo
Nuova ricerca sul disolfuro di tungsteno bidimensionale (WS 2 ) potrebbe aprire la porta a progressi nell'informatica quantistica.
In un articolo pubblicato il 13 settembre in Comunicazioni sulla natura , gli scienziati riferiscono di poter manipolare le proprietà elettroniche di questo materiale supersottile in modi che potrebbero essere utili per la codifica dei dati quantistici.
Lo studio si occupa di WS 2 le valli energetiche, quale fisica dell'Università di Buffalo Hao Zeng, co-autore dell'articolo, descrive come "gli estremi energetici locali della struttura elettronica in un solido cristallino".
Le valli corrispondono a energie specifiche che gli elettroni possono avere in un materiale, e la presenza di un elettrone in una valle rispetto a un'altra può essere utilizzata per codificare le informazioni. Un elettrone in una valle può rappresentare un 1 in codice binario, mentre un elettrone nell'altro può rappresentare uno 0.
La capacità di controllare dove potrebbero essere trovati gli elettroni potrebbe produrre progressi nell'informatica quantistica, consentendo la creazione di qubit, l'unità di base dell'informazione quantistica. I qubit hanno la misteriosa qualità di essere in grado di esistere non solo in uno stato di 1 o 0, ma in una "sovrapposizione" relativa a entrambi gli stati.
Il documento in Nature Communications segna un passo verso queste tecnologie future, dimostrando un nuovo metodo per manipolare gli stati della valle in WS 2 .
Zeng, dottorato di ricerca, professore di fisica presso l'UB College of Arts and Sciences, ha guidato il progetto con Athos Petrou, dottorato di ricerca, UB Distinguished Professor di Fisica, e Renat Sabirianov, dottorato di ricerca, cattedra di fisica presso l'Università del Nebraska Omaha. Altri coautori includevano gli studenti laureati in fisica della UB Tenzin Norden, Chuan Zhao e Peiyao Zhang. La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.
Spostamento delle valli energetiche del disolfuro di tungsteno
Il disolfuro di tungsteno bidimensionale è un singolo strato del materiale spesso tre atomi. In questa configurazione, WS 2 ha due valli energetiche, entrambi con la stessa energia.
Ricerche passate hanno dimostrato che l'applicazione di un campo magnetico può spostare l'energia delle valli in direzioni opposte, abbassando l'energia di una valle per renderla "più profonda" e più attraente per gli elettroni, mentre elevando l'energia dell'altra valle per renderla "più bassa, " dice Zeng.
I ricercatori dell'UB lavorano con un sistema di deposizione di film sottile a doppia camera che può essere utilizzato per sintetizzare materiali a film sottile. Nel nuovo studio, questa macchina è stata utilizzata per creare film di solfuro di europio e triossido di tungsteno, un precursore del disolfuro di tungsteno 2D. Credito:Douglas Levere / Università di Buffalo
"Mostriamo che lo spostamento nell'energia delle due valli può essere ampliato di due ordini di grandezza se mettiamo un sottile strato di solfuro di europio magnetico sotto il disolfuro di tungsteno, " dice Zeng. "Quando poi applichiamo un campo magnetico di 1 Tesla, siamo in grado di ottenere un enorme cambiamento nell'energia delle valli, equivalente a quello che potremmo sperare di ottenere applicando un campo magnetico di circa un centinaio di Tesla se il solfuro di europio non fosse presente".
"La dimensione dell'effetto era molto grande:era come usare un amplificatore di campo magnetico, " Dice Petrou. "È stato così sorprendente che abbiamo dovuto controllarlo più volte per assicurarci di non commettere errori".
Il risultato finale? La capacità di manipolare e rilevare gli elettroni nelle valli è notevolmente migliorata, qualità che potrebbero facilitare il controllo dei qubit per il calcolo quantistico.
Stati della valle come qubit per il calcolo quantistico
Come altre forme di calcolo quantistico, l'informatica quantistica basata sulla valle farebbe affidamento sulle qualità bizzarre delle particelle subatomiche, in questo caso gli elettroni, per eseguire calcoli potenti.
Gli elettroni si comportano in modi che possono sembrare strani:possono trovarsi in più posti contemporaneamente, ad esempio. Di conseguenza, 1 e 0 non sono gli unici stati possibili nei sistemi che utilizzano gli elettroni nelle valli come qubit. Un qubit può anche trovarsi in qualsiasi sovrapposizione di questi stati, consentendo ai computer quantistici di esplorare molte possibilità contemporaneamente, dice Zeng.
"Ecco perché l'informatica quantistica è così potente per determinati compiti speciali, " dice Zeng. "A causa della natura probabilistica e casuale del calcolo quantistico, è particolarmente adatto per applicazioni come l'intelligenza artificiale, crittografia, modellazione finanziaria e simulazioni di meccanica quantistica per la progettazione di materiali migliori. Però, molti ostacoli devono essere superati, e probabilmente saremo lontani molti anni se il calcolo quantistico universale scalabile diventerà mai una realtà".
Il nuovo studio si basa sul lavoro precedente di Zeng e Petrou, in cui hanno usato solfuro di europio e campi magnetici per alterare l'energia di due valli in un altro materiale 2-D:diseleniuro di tungsteno (WSe 2 ).
Anche se WS 2 e WSe 2 sono simili, hanno risposto in modo diverso all'esercizio dello "sdoppiamento della valle". In WS 2 , la valle che è diventata "più profonda" era analoga alla valle in WSe 2 che è diventato "più superficiale, " e viceversa, creando opportunità per esplorare come questa distinzione potrebbe fornire flessibilità nelle applicazioni della tecnologia.
Una caratteristica condivisa da entrambi i materiali potrebbe avvantaggiare il calcolo quantistico:in entrambi i WS 2 e WSe 2 , gli elettroni che popolano le due valli di energia hanno spin opposti, una forma di momento angolare. Sebbene questo tratto non sia necessario per creare un qubit, esso "fornisce una certa protezione degli stati quantistici, rendendoli più robusti, " dice Zeng.
