Ein Team von Wissenschaftlern hat eine Methode entwickelt, die die Struktur des Lichts nutzt, um die Eigenschaften von Quantenmaterialien zu verändern und zu optimieren. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht heute in Naturebnen den Weg für Fortschritte in der Quantenelektronik, im Quantencomputing und in der Informationstechnologie der nächsten Generation.
Das Team unter der Leitung von Forschern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University wandte diese Methode auf ein Material an, das als hexagonales Bornitrid (hBN) bekannt ist, eine einzelne Schicht aus Atomen, die in einem Wabenmuster angeordnet sind und deren Eigenschaften es einzigartig machen zur Quantenmanipulation geeignet. In ihren Experimenten nutzten die Wissenschaftler eine spezielle Art von Licht, dessen elektrisches Feld wie ein Kleeblatt aussieht, um das Verhalten des Materials auf Quantenebene in ultrakurzer Zeitskala zu verändern und zu steuern.
Die Art und Weise, wie die Lichtwelle verdreht wird, ermöglicht es Forschern auch, die Quanteneigenschaften des Materials präzise zu steuern – Regeln, die das Verhalten von Elektronen bestimmen, die für den Strom- und Datenfluss unerlässlich sind. Diese Fähigkeit, Quanteneigenschaften bei Bedarf zu steuern, könnte den Weg für die Entwicklung ultraschneller Quantenschalter für zukünftige Technologien ebnen.
„Unsere Arbeit ähnelt der Suche nach einer neuen Art, der Quantenwelt etwas zuzuflüstern und sie dazu zu bringen, uns ihre Geheimnisse zu offenbaren“, sagte Shubhadeep Biswas, ein Wissenschaftler am SLAC und an der Stanford University, der die Forschung leitete.
Herkömmliche Techniken erfordern oft, dass das Licht genau die richtige Energie hat, um mit einem Material zu arbeiten, eine Einschränkung, die dieser neue Ansatz geschickt umgeht. Durch die Verwendung einer speziellen Art von Licht und die Anpassung seines Musters an das Muster des Materials können Wissenschaftler das Material in neue Konfigurationen locken, ohne durch seine natürlichen Eigenschaften eingeschränkt zu werden.
„Dieses strukturierte Licht beleuchtet das Material nicht nur, es dreht sich um es herum und verändert seine Quanteneigenschaften bei Bedarf auf eine Weise, die wir kontrollieren können“, sagte Biswas.
Ein Team von Wissenschaftlern hat eine bahnbrechende Methode entwickelt, die die Struktur des Lichts nutzt, um die Eigenschaften von Quantenmaterialien zu verändern und zu optimieren. Die strukturierte Lichtwelle und ihre kontrollierte Drehung brechen die Zeitumkehrsymmetrie, was zur Manipulation der Bandstruktur des Quantenmaterials führt. Bildnachweis: Shubhadeep Biswas
Diese Flexibilität könnte es ermöglichen, dass die Methode für ein breites Anwendungsspektrum funktioniert, was die Entwicklung neuer Technologien erleichtert. Im Wesentlichen schuf das Team Bedingungen, unter denen sich Elektronen auf neue und kontrollierbare Weise bewegen. Das könnte beispielsweise zur Entwicklung superschneller Schalter für Quantencomputer führen, die die Computer, die wir heute verwenden, deutlich übertreffen könnten.
Über die unmittelbaren Ergebnisse hinaus verspricht diese Forschung zukünftige Anwendungen im Bereich der „Valleytronik“, einem Bereich, der die Quanteneigenschaften von Elektronen, die sich in verschiedenen Energietälern eines Materials befinden, für die Informationsverarbeitung nutzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen, die Licht erfordern, das an diese Energietäler angepasst ist, ist die neue Methode anpassungsfähiger und bietet eine neue Richtung für die Entwicklung von Quantengeräten.
Die Fähigkeit der Forscher, die Quantentäler in hBN zu manipulieren, könnte zu neuen Geräten wie ultraschnellen Quantenschaltern führen, die nicht nur mit der Binärzahl von Nullen und Einsen arbeiten, sondern auch mit der komplexeren Landschaft der Quanteninformation. Dies ermöglicht eine schnellere und effizientere Verarbeitung und Speicherung von Informationen.
„Es geht nicht nur darum, einen Schalter ein- und auszuschalten“, sagte Mitarbeiter Matthias F. Kling, Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei LCLS. „Es geht darum, einen Schalter zu schaffen, der in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren kann und die Leistung und das Potenzial unserer Geräte enorm steigert. Es eröffnet eine völlig neue Möglichkeit, die Eigenschaften von Materialien auf Quantenebene zu verändern. Die möglichen Anwendungen sind riesig und vielfältig.“ vom Quantencomputing bis hin zu neuen Formen der Quanteninformationsverarbeitung.“
Die Forschung wirft auch Licht auf die grundlegenden Möglichkeiten, wie Wissenschaftler mit der Quantenwelt interagieren und diese kontrollieren können. Für die beteiligten Wissenschaftler geht es bei dieser Reise in die Quantenwelt nicht nur um den Nervenkitzel der Entdeckung, sondern auch darum, die Grenzen des Möglichen zu erweitern.
„Einer der aufregendsten Aspekte ist das schiere Potenzial unserer Erkenntnisse“, sagte Biswas. „Wir stehen an der Schwelle einer neuen Ära der Technologie und fangen gerade erst an zu erforschen, was möglich ist, wenn wir die Kraft von Quantenmaterialien nutzen.“
Zum Team gehörten auch Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching; Ludwig-Maximilians-Universität München in Deutschland; und Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid in Spanien.
Mehr Informationen:
Sambit Mitra et al., Lichtwellengesteuertes Haldane-Modell in einschichtigem hexagonalem Bornitrid, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07244-z