Forscher zeigen einen neuen Weg, um mithilfe unsichtbarer Materialeigenschaften nützliche Defekte zu induzieren

Ein Großteil der modernen Elektronik- und Computertechnologie basiert auf einer Idee: Fügen Sie Halbleitern chemische Verunreinigungen oder Defekte hinzu, um ihre Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, zu verändern. Diese veränderten Materialien werden dann auf unterschiedliche Weise kombiniert, um die Geräte herzustellen, die die Grundlage für digitale Computer, Transistoren und Dioden bilden. Tatsächlich basieren einige Quanteninformationstechnologien auf einem ähnlichen Prinzip: Das Hinzufügen von Defekten und spezifischen Atomen innerhalb von Materialien kann Qubits erzeugen, die grundlegenden Informationsspeichereinheiten des Quantencomputings.

Gaurav Bahl, Professor für Mechanik und Maschinenbau an der University of Illinois Urbana-Champaign und Mitglied des Illinois Quantum Information Sciences and Technology Center, untersucht, wie spezielle nichtlineare Eigenschaften in technischen Materialien ähnliche Funktionalitäten erreichen können, ohne dass absichtlich etwas hinzugefügt werden muss Defekte.

Wie seine Forschungsgruppe in ihrem Artikel „Self-Induced Dirac Boundary State and Digitization in a Nonlinear Resonator Chain“ berichtet, erschienen in Briefe zur körperlichen Überprüfungkann ein Metamaterial seine Funktionalität in Abhängigkeit von der Leistungsstufe des Inputs selbst ändern.

Ein Metamaterial ist ein künstliches System, das das Verhalten realer Materialien nachbildet, die aus natürlichen Atomen bestehen. Die Forscher konstruierten ein solches Material, dessen Verhalten analog zu einem speziellen Halbleiter namens Dirac-Material ist. Es bestand aus einer Kette von magnetisch-mechanischen Resonatoren, bei denen die magnetischen Wechselwirkungen wie Bindungen zwischen Atomen in einem eindimensionalen Kristall wirkten. Wenn eines dieser „Atome“ mechanisch angeregt wurde, dh in periodische Bewegung versetzt wurde, breitete sich die Erregung auf den Rest des Kristalls aus, genau wie Elektronen, die in einen Halbleiter injiziert werden.

Nachdem sie gezeigt hatten, dass ein völlig gleichförmiges Dirac-Metamaterial keine mechanischen Anregungen durchlässt (so wie es Elektronen verboten ist, durch isolierende Halbleiter zu fließen), führten die Forscher eine bestimmte Reihe von Nichtlinearitäten in das System ein. Diese neue Eigenschaft erhöhte die Empfindlichkeit gegenüber dem Niveau der mechanischen Erregung und konnte die Resonanzenergie der magnetomechanischen Atome subtil verändern. Mit der richtigen Wahl der Nichtlinearität beobachteten die Forscher einen scharfen Übergang vom isolierenden zum leitenden Verhalten, je nachdem, wie stark ein Eingang bereitgestellt wurde.

Dieses faszinierende Verhalten resultierte aus dem spontanen Auftreten einer neuen Grenze, an der die effektive Masse der mechanischen Anregung, eine unsichtbare innere Eigenschaft von Dirac-Materialien, je nach Anregungsniveau einen Vorzeichenwechsel erfuhr. Die Forscher waren überrascht, als sie feststellten, dass diese Grenze von einem neuen Zustand begleitet wurde, der an der Grenze „einsprang“ und es ermöglichte, dass die Eingangsenergie durch das Material übertragen wurde. Dieser Effekt war dem Verhalten eines Defektatoms in einem Halbleiter sehr ähnlich

„In der Photonik und Elektronik“, sagte Bahl, „könnten nichtlineare Eigenschaften wie diese konstruiert werden, um die Grundlage für neue Computersysteme zu bilden, die nicht auf dem herkömmlichen Halbleiteransatz beruhen.“

Wann immer wir Defektzustände und spezielle Atome hinzufügen, unterbrechen wir die Einheitlichkeit des Materials, was zu anderen unerwünschten Effekten führen kann. Materialien, bei denen durch eine unsichtbare Eigenschaft bei Bedarf ein Defektzustand gebildet werden kann, wie die in dieser Arbeit verwendete Dirac-Masse, haben jedoch tiefgreifende Auswirkungen auf Quanteninformationssysteme, wo sie Qubits versprechen, die dynamisch dort produziert werden können, wo sie benötigt werden. Die nächste Herausforderung besteht darin, reale Materialien auf der Basis natürlicher Atome zu finden oder zu synthetisieren, die diesen Effekt nachbilden können.

Die Experimente wurden vom Physik-Doktoranden Gengming Liu in Zusammenarbeit mit dem Postdoc Dr. Jiho Noh und dem MechSE-Doktoranden Jianing Zhao durchgeführt.