開發(fā)量子電子器件的關(guān)鍵可能存在一些問題。據(jù)賓夕法尼亞州立大學研究人員領(lǐng)導的團隊稱，這對于制造和操作此類設(shè)備(包括先進的傳感器和激光器)所需的精確控制來說并不是一件壞事。
研究人員制作了一個開關(guān)來打開和關(guān)閉扭結(jié)態(tài)，扭結(jié)態(tài)是半導體材料邊緣的導電通路。通過控制扭結(jié)態(tài)的形成，研究人員可以調(diào)節(jié)量子系統(tǒng)中電子的流動。
“我們設(shè)想以扭結(jié)態(tài)為骨干構(gòu)建一個量子互連網(wǎng)絡，”團隊負責人、賓夕法尼亞州立大學物理學教授朱軍說道。朱軍也是賓夕法尼亞州立大學二維層狀材料研究中心的成員。
“這種網(wǎng)絡可用于長距離傳輸片上量子信息，而傳統(tǒng)的銅線無法實現(xiàn)這一點，因為它有電阻，因此無法保持量子相干性。”
該研究發(fā)表在《科學》雜志上，可能為研究人員繼續(xù)研究扭結(jié)態(tài)及其在電子量子光學設(shè)備和量子計算機中的應用奠定基礎(chǔ)。
“這種開關(guān)的工作原理與傳統(tǒng)開關(guān)不同，傳統(tǒng)開關(guān)通過門來調(diào)節(jié)電流，類似于通過收費站的交通，”朱說。“在這里，我們正在拆除和重建道路本身。”
扭結(jié)態(tài)存在于一種由伯納爾雙層石墨烯材料制成的量子裝置中。這種材料由兩層原子厚度的碳組成，碳層以這樣一種方式堆疊在一起，即一層中的原子與另一層中的原子錯位。這種排列方式與電場的使用相結(jié)合，產(chǎn)生了不同尋常的電子特性，包括量子谷霍爾效應。
這種效應指的是電子占據(jù)不同“谷”態(tài)(根據(jù)其能量與動量的關(guān)系確定)的現(xiàn)象，這些電子也朝相反的方向向前和向后移動。扭結(jié)態(tài)是量子谷霍爾效應的表現(xiàn)。
“我們的設(shè)備的神奇之處在于，我們可以使沿相反方向移動的電子不會互相碰撞(這稱為背向散射)，即使它們共享相同的路徑，”第一作者KeHuang說道，他是賓夕法尼亞州立大學在朱的指導下攻讀物理學博士學位的研究生。
“這對應于對‘量化’電阻值的觀察，這是扭結(jié)態(tài)作為量子線傳輸量子信息的潛在應用的關(guān)鍵。”
盡管朱實驗室之前已經(jīng)發(fā)表過關(guān)于扭結(jié)態(tài)的研究，但他們在當前工作中只是在提高了器件的電子清潔度之后才實現(xiàn)了量子谷霍爾效應的量化，這意味著他們移除了可能允許朝相反方向移動的電子發(fā)生碰撞的源。
他們通過將干凈的石墨/六方氮化硼堆棧作為全局門(或可以允許電子流動的機制)納入設(shè)備來實現(xiàn)這一點。
石墨和六方氮化硼都是常用作油漆、化妝品等潤滑劑的化合物。石墨導電性好，而六方氮化硼是絕緣體。研究人員利用這種組合將電子限制在扭結(jié)狀態(tài)并控制其流動。
黃說：“將石墨/六方氮化硼堆棧作為全局柵極對于消除電子背散射至關(guān)重要”，并指出這種材料的使用是當前研究的關(guān)鍵技術(shù)進步。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，即使溫度升至幾十開爾文(科學溫度單位)，扭結(jié)態(tài)的量化仍然保持不變。零開爾文相當于-460華氏度。
朱教授表示：“量子效應通常很脆弱，只能在幾開爾文的低溫下才能發(fā)揮作用。我們能使這一技術(shù)工作的溫度越高，它就越有可能得到應用。”
研究人員通過實驗測試了他們制造的開關(guān)，發(fā)現(xiàn)它可以快速、反復地控制電流。這增加了基于扭結(jié)態(tài)的量子電子器件庫，這些器件有助于控制和引導電子——閥門、波導、分束器——這些器件之前由朱實驗室制造。
朱教授表示：“我們開發(fā)了一種量子高速公路系統(tǒng)，它可以在不發(fā)生碰撞的情況下傳輸電子，可以編程來引導電流，而且具有可擴展性——所有這些都為未來探索該系統(tǒng)的基礎(chǔ)科學和應用潛力奠定了堅實的基礎(chǔ)。當然，要實現(xiàn)量子互連系統(tǒng)，我們還有很長的路要走。”
朱指出，她的實驗室的下一個目標是展示電子在彎道州高速公路上行駛時如何表現(xiàn)得像相干波。
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