Ученые из Индийского технологического института в Бомбее нашли способ использовать свет для управления и считывания информации о крошечных квантовых состояниях внутри материалов толщиной в один атом. Этот простой метод может проложить путь к созданию компьютеров, которые будут работать значительно быстрее и потреблять гораздо меньше энергии, чем современная электроника.
Исследуемые материалы имеют толщину всего в один атом — они намного тоньше человеческого волоса — и известны как двумерные (2D) полупроводники. Внутри этих материалов электроны могут находиться в одном из двух различных квантовых состояний, называемых долинами. Эти долины, обозначаемые как K и K′, можно представить как два разных «места», между которыми может выбирать электрон. Поскольку существует два варианта, исследователи уже давно представляют, как использовать их в качестве 0 и 1 в цифровых вычислениях, но на квантовом уровне.
Однако надёжное управление тем, какую долину занимают электроны, а также быстрое переключение между ними по требованию было серьёзной проблемой. «Предыдущие методы требовали сложных экспериментальных установок с тщательно настроенными лазерами с круговой поляризацией и часто с несколькими лазерными импульсами, и они работали только при определённых условиях», — сказал профессор Гопал Диксит. Во многих случаях они не могли полностью переключаться между двумя долинными состояниями или напрямую определять, в каком состоянии оказались электроны. В результате в основных реалистичных лабораторных условиях добиться полностью обратимого и поддающегося количественному измерению контроля над долинами не удавалось.
Результаты, опубликованные в журнале Advanced Optical Materials, раскрывают новый метод, который позволяет обойтись без сложных лазерных схем, используя всего один импульс с линейной поляризацией. Исследователи обнаружили, что незначительной асимметрии в форме поляризации лазера, возникающей из-за контролируемой задержки между компонентами поляризации, достаточно, чтобы направить электроны в долину K или K′.
При изменении временного сдвига индуцированная долинная поляризация может переключаться между двумя состояниями, что делает процесс полностью обратимым. Другими словами, направление сдвига определяет, в какое состояние будет переведена система: в «0» или в «1». Профессор Диксит подчёркивает, что ещё более впечатляющим является тот факт, что тот же импульс, который переключает состояние долины, также создаёт маленький электрический ток, который служит встроенным сигналом, сообщающим исследователям, какое состояние было выбрано. Это означает, что системой можно управлять и считывать данные одновременно — второй лазер или дополнительный прибор не требуются.
Метод работает в широком диапазоне длин волн лазера и не зависит от соответствия частоты материалу, что было основным ограничением предыдущих подходов. Поскольку эффект зависит от формы лазерного импульса, а не от точной энергетической структуры материала, ожидается, что он будет работать с различными двумерными полупроводниками даже при комнатной температуре.
Помимо научной элегантности результата, эта работа имеет практическое значение. Идеально симметричный импульс заполняет обе долины в равной степени, что соответствует состоянию ВЫКЛ в логическом устройстве. Слегка искажённый импульс заполняет только одну долину, что соответствует либо 0, либо 1. Поскольку результирующий ток в долине сразу показывает, какое состояние было выбрано, это формирует основу для полностью оптических логических операций — вычислений, полностью управляемых светом, а не электрическими цепями. Таким образом, этот процесс представляет собой технологически простой способ интеграции долинтронного логического устройства в компактные оптические платформы.
Сведя управление долинами к одному легко генерируемому лазерному импульсу, учёные упростили требования к экспериментам и открыли возможность сверхбыстрого управления квантовыми состояниями с низким энергопотреблением. Это важный шаг на пути к созданию будущих устройств, которые будут использовать свет для управления информацией в двумерных материалах, что потенциально изменит технологии как в классических, так и в квантовых вычислениях.