Scienziati del Laboratorio Ames, Laboratorio nazionale di Brookhaven, e l'Università dell'Alabama Birmingham hanno scoperto un meccanismo di commutazione indotto dalla luce in un semimetallo Dirac. Il meccanismo stabilisce un nuovo modo di controllare il materiale topologico, guidato dal movimento avanti e indietro di atomi ed elettroni, che consentirà il transistor topologico e il calcolo quantistico utilizzando onde luminose.

Proprio come i transistor e i fotodiodi odierni hanno sostituito le valvole a vuoto oltre mezzo secolo fa, gli scienziati stanno cercando un simile balzo in avanti nei principi di progettazione e nei nuovi materiali per ottenere capacità di calcolo quantistico. L'attuale capacità di calcolo deve affrontare sfide enormi in termini di complessità, consumo di energia, e velocità; superare i limiti fisici raggiunti man mano che l'elettronica e i chip diventano più caldi e veloci, sono necessari maggiori progressi. In particolare su piccola scala, tali problemi sono diventati i principali ostacoli al miglioramento delle prestazioni.

"L'ingegneria topologica delle onde luminose cerca di superare tutte queste sfide guidando il movimento periodico quantistico per guidare gli elettroni e gli atomi attraverso nuovi gradi di libertà, cioè., topologia, e indurre transizioni senza riscaldamento a frequenze terahertz senza precedenti, definito come un trilione di cicli al secondo, frequenze di clock, " ha detto Jigang Wang, uno scienziato senior all'Ames Laboratory e professore di fisica all'Iowa State University. "Questo nuovo principio di controllo coerente è in netto contrasto con qualsiasi metodo di regolazione dell'equilibrio utilizzato finora, come elettrico, campi magnetici e di deformazione, che hanno velocità molto più basse e maggiori perdite di energia."

Adozione su larga scala di nuovi principi di calcolo, come l'informatica quantistica, richiede la costruzione di dispositivi in ​​cui gli stati quantistici fragili siano protetti dai loro ambienti rumorosi. Un approccio è attraverso lo sviluppo del calcolo quantistico topologico, in cui i qubit si basano su quasiparticelle "protette dalla simmetria" immuni al rumore.

Però, gli scienziati che studiano questi materiali topologici affrontano una sfida:come stabilire e mantenere il controllo di questi comportamenti quantistici unici in un modo che renda possibili applicazioni come l'informatica quantistica. In questo esperimento, Wang e i suoi colleghi hanno dimostrato che il controllo usando la luce per guidare gli stati quantistici in un semimetallo di Dirac, un materiale esotico che mostra un'estrema sensibilità per la sua vicinanza a un'ampia gamma di fasi topologiche.

"Abbiamo ottenuto questo risultato applicando un nuovo principio di controllo quantistico della luce noto come oscillazioni coerenti fononiche Raman selettive in modo che guidano movimenti periodici degli atomi intorno alla posizione di equilibrio usando brevi impulsi di luce, "dice Ilias Perakis, professore di fisica e cattedra presso l'Università dell'Alabama a Birmingham. "Queste fluttuazioni quantistiche guidate inducono transizioni tra stati elettronici con lacune e ordini topologici diversi".

Un'analogia di questo tipo di commutazione dinamica è il pendolo di Kapitza azionato periodicamente, che può passare a una posizione invertita ma stabile quando viene applicata la vibrazione ad alta frequenza. Il lavoro del ricercatore mostra che questo classico principio di controllo - guidare i materiali verso una nuova condizione stabile non trovata normalmente - è sorprendentemente applicabile a un'ampia gamma di fasi topologiche e transizioni di fase quantistiche.

"Il nostro lavoro apre una nuova arena di elettronica topologica delle onde luminose e transizioni di fase controllate dalla coerenza quantistica, "dice Qiang Li, Capogruppo dell'Advanced Energy Materials Group del Brookhaven National Laboratory. "Questo sarà utile nello sviluppo di future strategie di calcolo quantistico ed elettronica con alta velocità e basso consumo energetico".

La spettroscopia e l'analisi dei dati sono state eseguite presso il Laboratorio Ames. La costruzione e l'analisi del modello sono state parzialmente eseguite presso l'Università dell'Alabama, Birmingham. Lo sviluppo del campione e le misurazioni del trasporto magnetico sono state eseguite presso il Brookhaven National Laboratory. I calcoli funzionali della densità sono stati supportati dal Center for the Advancement of Topological Semimetals, un DOE Energy Frontier Research Center presso il laboratorio Ames.

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento, "Coerenza Raman guidata dalla luce come percorso non termico per la commutazione di topologia ultraveloce in un semimetallo Dirac, " scritto da C. Vaswani, LL. Wang, D.H. Mudiyanselage, Q. Li, P.M. Lozano, G. Gu, D. Cheng, B. Canzone, L. Luo, R.H.J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, CIOÈ. Perakis, Y. Yao, K. M. Ho, e J. Wang; e pubblicato in Revisione fisica X .