Bagaimana Putaran Kuantum Kecil Dapat Memberdayakan Teknologi Masa Depan

Para peneliti di Penn State sedang mengembangkan elektronika kuantum tingkat lanjut menggunakan keadaan kink, yang merupakan jalur elektron unik dalam bahan semikonduktor.

Keadaan ini berpotensi membentuk tulang punggung jaringan interkoneksi kuantum, yang penting untuk mentransmisikan informasi kuantum secara efisien. Tim telah membuat kemajuan signifikan dalam mengendalikan keadaan ini melalui kombinasi materials dan desain perangkat yang inovatif, yang meningkatkan potensi elektronika kuantum yang dapat diskalakan.

Kunci untuk mengembangkan elektronika kuantum mungkin memiliki beberapa kendala. Menurut tim yang dipimpin oleh para peneliti di Penn State, itu bukan hal yang buruk jika menyangkut kontrol yang tepat yang dibutuhkan untuk membuat dan mengoperasikan perangkat tersebut, termasuk sensor dan laser canggih. Para peneliti membuat sakelar untuk menghidupkan dan mematikan keberadaan kondisi kink, yang merupakan jalur konduksi listrik di tepi materials semikonduktor. Dengan mengendalikan pembentukan kondisi kink, para peneliti dapat mengatur aliran elektron dalam sistem kuantum.

Menjelajahi Keadaan Kink untuk Informasi Kuantum

“Kami membayangkan pembangunan jaringan interkoneksi kuantum menggunakan standing kink sebagai tulang punggung,” kata pemimpin tim Jun Zhu, profesor fisika di Penn State. Zhu juga berafiliasi dengan Pusat Materials Berlapis 2 Dimensi Penn State. “Jaringan semacam itu dapat digunakan untuk membawa informasi kuantum pada chip dalam jarak yang jauh, yang tidak dapat dilakukan oleh kabel tembaga klasik karena memiliki resistansi dan karenanya tidak dapat mempertahankan koherensi kuantum.”

Karya tersebut, yang diterbitkan baru-baru ini di jurnal Sainsberpotensi menyediakan landasan bagi para peneliti untuk terus menyelidiki keadaan kink dan penerapannya dalam perangkat optik kuantum elektron dan komputer kuantum.

Mekanika Change dan Efek Corridor Lembah Kuantum

“Sakelar ini beroperasi secara berbeda dari sakelar konvensional, di mana arus listrik diatur melalui gerbang, mirip dengan lalu lintas melalui gerbang tol,” kata Zhu. “Di sini, kami membongkar dan membangun kembali jalan itu sendiri.”

Keadaan kink ada dalam perangkat kuantum yang dibangun dengan materials yang dikenal sebagai lapisan ganda Bernal grafena. Ini terdiri dari dua lapisan karbon tipis yang ditumpuk bersama-sama, sedemikian rupa sehingga atom-atom dalam satu lapisan tidak sejajar dengan atom-atom di lapisan lainnya. Susunan ini, bersama dengan penggunaan medan listrik, menciptakan sifat-sifat elektronik yang tidak biasa — termasuk efek Corridor lembah kuantum.

Efek ini mengacu pada fenomena elektron yang menempati berbagai keadaan “lembah” — diidentifikasi berdasarkan energinya dalam kaitannya dengan momentumnya — juga bergerak dalam arah maju dan mundur yang berlawanan. Keadaan tertekuk merupakan manifestasi dari efek Corridor lembah kuantum.

Integrasi Materials Canggih dan Aplikasi Kuantum

“Hal yang menakjubkan tentang perangkat kami adalah kami dapat membuat elektron yang bergerak ke arah berlawanan tidak saling bertabrakan — yang disebut hamburan balik — meskipun mereka berbagi jalur yang sama,” kata penulis pertama Ke Huang, seorang mahasiswa pascasarjana yang sedang menempuh gelar doktor dalam bidang fisika di Penn State di bawah bimbingan Zhu. “Hal ini sesuai dengan pengamatan nilai resistansi 'terkuantisasi', yang merupakan kunci untuk penerapan potensial keadaan tekukan sebagai kabel kuantum untuk mengirimkan informasi kuantum.”

Meskipun lab Zhu telah menerbitkan tentang kondisi kink sebelumnya, mereka hanya mencapai kuantisasi efek Corridor lembah kuantum dalam pekerjaan saat ini setelah meningkatkan kebersihan elektronik perangkat, yang berarti mereka menghilangkan sumber yang dapat memungkinkan elektron yang bergerak ke arah yang berlawanan untuk bertabrakan. Mereka melakukan ini dengan menggabungkan tumpukan boron nitrida heksagonal/grafit bersih sebagai gerbang world — atau mekanisme yang dapat memungkinkan aliran elektron — ke dalam perangkat.

Baik grafit maupun boron nitrida heksagonal merupakan senyawa yang umum digunakan sebagai pelumas untuk cat, kosmetik, dan lain-lain. Grafit menghantarkan listrik dengan baik sedangkan boron nitrida heksagonal merupakan isolator. Para peneliti menggunakan kombinasi ini untuk menahan elektron pada kondisi tertekuk dan mengendalikan alirannya.

Arah Masa Depan dalam Elektronika Kuantum

“Penggabungan tumpukan boron nitrida heksagonal/grafit sebagai gerbang world sangat penting untuk menghilangkan hamburan balik elektron,” kata Huang, seraya mencatat bahwa penggunaan materials ini merupakan kemajuan teknis utama dari studi saat ini.

Para peneliti juga menemukan bahwa kuantisasi keadaan kink tetap ada bahkan ketika suhu dinaikkan hingga beberapa puluh Kelvin, satuan suhu ilmiah. Nol Kelvin sama dengan -460 derajat derajat fahrenheit.

“Efek kuantum sering kali rapuh dan hanya bertahan pada suhu kriogenik beberapa Kelvin,” kata Zhu. “Semakin tinggi suhu yang dapat kita gunakan untuk membuatnya berfungsi, semakin besar kemungkinannya dapat digunakan dalam aplikasi.”

Para peneliti menguji secara eksperimental sakelar yang mereka buat dan menemukan bahwa sakelar itu dapat dengan cepat dan berulang kali mengendalikan aliran arus. Ini menambah persenjataan widget elektronik kuantum berbasis kink state yang membantu mengendalikan dan mengarahkan elektron — katup, pemandu gelombang, pemisah berkas — yang sebelumnya dibuat oleh lab Zhu.

“Kami telah mengembangkan sistem jalan raya kuantum yang dapat membawa elektron tanpa tabrakan, diprogram untuk mengarahkan aliran arus, dan berpotensi dapat diskalakan — yang semuanya menjadi dasar yang kuat untuk studi masa depan yang mengeksplorasi sains elementary dan potensi aplikasi sistem ini,” kata Zhu. “Tentu saja, untuk mewujudkan sistem interkoneksi kuantum, kami masih memiliki jalan panjang.”

Zhu mencatat bahwa tujuan labnya berikutnya adalah menunjukkan bagaimana elektron berperilaku seperti gelombang koheren saat bergerak di jalan raya kondisi kink.

Referensi: “Efek Corridor lembah kuantum suhu tinggi dengan resistansi terkuantisasi dan sakelar topologi” oleh Ke Huang, Hailong Fu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi dan Jun Zhu, 18 Juli 2024, Sains.
DOI: 10.1126/sains.adj3742

Penulis lainnya termasuk Hailong Fu, mantan sarjana pascadoktoral dan Eberly Fellow di bidang fisika di Penn State, dan asisten profesor saat ini di Universitas Zhejiang, Tiongkok; dan Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi, keduanya dari Institut Nasional untuk Ilmu Materials di Jepang.

Yayasan Sains Nasional AS, Departemen Energi AS, Beasiswa Riset Eberly Penn State, Inisiatif Baru Kaufman dari Yayasan Pittsburgh, Masyarakat Jepang untuk Pengembangan Sains, dan Inisiatif Riset Internasional Utama Dunia dari Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Sains, dan Teknologi Jepang mendanai riset ini.