Magnetisme hanya memperbaiki salah satu masalah terbesar Quantum Tech
Teknologi kuantum berjuang dengan penskalaan, karena sifat khusus bahan kuantum biasanya lenyap dalam struktur yang lebih besar.
Para peneliti sekarang telah menemukan cara untuk mempertahankan sifat kuantum dalam bahan tiga dimensi dengan memanfaatkan kurungan magnetik. Pekerjaan mereka berfokus pada rangsangan-quasipartikel pembawa energi-yang biasanya tidak stabil dalam bahan curah tetapi dapat dibatasi menggunakan sifat magnetik kromium sulfida bromida.
Mengatasi masalah skala dalam teknologi kuantum
Teknologi kuantum menghadapi tantangan utama – sifat -sifatnya yang menentukan hanya bekerja pada skala yang sangat kecil. Perilaku unik yang diamati pada tingkat subatomik cenderung menghilang dalam struktur yang lebih besar, membuatnya sulit untuk menerapkan kemampuan penginderaan dan komunikasi canggih mereka ke sistem dunia nyata seperti perangkat optik dan Komputasi kuantum.
Sekarang, tim fisikawan dari Penn State dan Universitas Columbia telah mengembangkan metode inovatif untuk melestarikan efek kuantum ini, bahkan dalam bahan tiga dimensi (3D). Temuan mereka diterbitkan hari ini (19 Februari) di Bahan Alam.
Tantangan menjaga sifat kuantum
“Meskipun fungsionalitas yang ditampilkan oleh bahan dua dimensi (2D) sangat luas dan potensinya revolusioner, mempertahankan sifat superior mereka di luar batas 2D tetap menjadi tantangan yang tangguh,” kata Yinming Shao, asisten profesor fisika di Penn State dan penulis pertama penelitian. Bahan -bahan ini – sering kali kristal yang hanya satu atom Tebal-Memiliki aplikasi luas, dari elektronik fleksibel hingga penyimpanan energi dan teknologi kuantum.
“Realisasi, pemahaman, dan kontrol nano Kurungan, dengan demikian, penting untuk eksplorasi fisika kuantum dan teknologi kuantum di masa depan. ”
Excitons: Kunci kemajuan kuantum
Tim memeriksa quasipartikel yang dikenal sebagai rangsangan, yang memiliki sifat optik yang unik dan dapat membawa energi tanpa muatan listrik, dalam bahan semikonduktor. Semikonduktor – yang ada di mana -mana di seluruh komputer, telepon, dan elektronik lainnya – melakukan listrik dalam kondisi tertentu dan menghambatnya di bawah orang lain. Eksiton diproduksi ketika cahaya mengenai semikonduktor, memberi energi elektron untuk melompat ke tingkat energi berikutnya. Elektron tereksitasi yang dihasilkan dan lubang yang dibiarkan bersama -sama disebut sebagai exciton. Rangsangan terjadi secara homogen di 3D khas semikonduktorseperti silikon.
“Tetapi energi pengikat untuk rangsangan dalam bahan curah seperti silikon biasanya kecil, artinya tidak terlalu stabil dan tidak mudah untuk diamati,” kata Shao, menjelaskan bahwa rangsangan paling stabil dan menunjukkan sifat superior hanya dalam lapisan tunggal 2D.
Keterbatasan produksi materi 2D konvensional
Metode konvensional untuk menyiapkan bahan 2D dikembangkan pada tahun 2004 dan menyebabkan penemuan graphenelapisan tunggal karbon yang sangat konduktif dan lebih kuat dari baja. Prosesnya sederhana, tetapi padat karya, karena setiap lapisan harus dikelupas dari kristal curah dengan menerapkan selembar pita lengket dan mengupasnya.
Dalam keadaan tipis, 2D ini, rangsangan dapat membawa energi tanpa muatan, serta memancarkan cahaya ketika elektron dan lubangnya menggabungkan kembali, yang dikatakan Shao berguna untuk aplikasi optik canggih. Untuk melestarikan sifat -sifat tersebut dalam bahan yang cukup besar untuk aplikasi tersebut, namun, para peneliti perlu menghasilkan sejumlah besar lapisan.
Memanfaatkan Magnetisme untuk Melestarikan Sifat Kuantum
Untuk melakukan ini tanpa mengelupas dan menumpuk setiap lapisan dengan tangan, para peneliti beralih ke aspek fisika lain: Magnetisme. Secara khusus, mereka fokus pada kromium sulfida bromida (CRSBR), semikonduktor magnetik berlapis yang rekan penulis Xavier Roy, profesor kimia di Universitas Columbia, telah meneliti secara luas dan lebih lanjut dikembangkan sejak 2020.
Pada suhu kamar, CRSBR bertindak sebagai semikonduktor normal seperti silikon. Pendingin CRSBR ke bawah, hingga sekitar -223 derajat Fahrenheitmembawanya ke keadaan dasar, atau keadaan energi terendah. Ini mengubahnya menjadi sistem antiferromagnetik, di mana momen -momen magnetik – biasanya disebut sebagai “putaran” – dari partikel -partikel sistem yang selaras dalam pola reguler dan berulang. Khususnya untuk CRSBR, pemesanan antiferromagnetik ini memastikan bahwa setiap lapisan berganti -ganti keselarasan magnetnya, secara efektif membatalkan momen magnetik dan membuat material tidak sensitif terhadap gaya magnetik eksternal. Akibatnya, rangsangan cenderung tetap berada di lapisan dengan putaran yang sama, alih -alih berbelok ke lapisan tetangga dengan putaran yang berlawanan. Seperti mobil di jalan-jalan satu arah yang bergantian, batas-batas yang sudah mapan ini membuat rangsangan terbatas pada lapisan yang dengannya mereka memiliki arah putaran yang sama.
“Ini adalah pendekatan yang efektif untuk membuat satu lapisan bahan atom tanpa mengeluarkannya, sambil tetap menjaga antarmuka yang tajam,” kata Shao. “Ini berarti kita dapat mencapai perilaku yang sama dari rangsangan terbatas yang ditunjukkan dalam bahan 2D dalam bahan curah.”
Validasi eksperimental kurungan magnetik
Menggunakan teknik spektroskopi optik, pemodelan dan perhitungan teoritis, para peneliti menentukan bahwa kurungan magnetik ini dipegang teguh tidak peduli berapa banyak lapisan dalam sistem dan tidak peduli lapisan mana yang terkurung, termasuk lapisan permukaan.
“Kami melakukan banyak pekerjaan untuk memeriksa bahwa ini benar -benar berlaku, dan itu benar,” kata Shao.
Temuan tim Shao dikuatkan oleh kelompok penelitian lain dari Jerman – Florian Dirnberger dan Alexey Chernikov dari Tud Dresden University of Technology – yang sedang menyelidiki kekhasan semikonduktor magnetik yang sama. Kedua kelompok memutuskan untuk membandingkan catatan, kata Shao, dan menemukan bahwa mereka semua sampai pada kesimpulan yang sama.
“Data kami berbaris dengan sangat baik, yang luar biasa karena kami menggunakan dua bahan kristal yang berbeda di laboratorium yang berbeda,” kata Shao. “Hasil kami sesuai satu sama lain dan selaras dengan prediksi teoretis, jadi kami menulis makalah bersama ini.”
Era baru untuk teknologi kuantum
Hasil yang selaras datang dari memanfaatkan perilaku magnet, interaksi dan rangsangan van der Waals, menurut Shao, untuk mencapai kurungan kuantum dengan aplikasi potensial untuk memajukan sistem optik dan teknologi kuantum.
“Pernikahan dari berbagai aspek fisika ini adalah aspek penting dari penemuan ini,” kata Shao.
Referensi: “Permukaan yang terbatas secara magnetis dan rangsangan curah dalam antiferromagnet berlapis” oleh Yinming Shao, Florian Dirnberger, Siyuan Qiu, Swagata Acharya, Sophia Terres, Evan J. Telford, Dimitar Pashov, Brian Sy Kim, Francesco L. Ruta E. Yiping Wang, Jeongheon Choe, Youn Jue Bae, Andrew J. Millis, Mikhail I. Katsnelson, Kseniia Mosina, Zdenek Sofer, Rupert Huber, Xiaoyang Zhu, Xavier Roy, Mark Van Schilfgaarde, Alexey Chernikov dan DN Basov, 19, 19 Schilfgaarde, Alexey Chernikov, dan DN, 19 Schilfgaarde, Alexey Chernikov, dan DN, DN, 19 Schilfgaarde, Alexey Chernikov dan DN, DN, 19 Schilfgaarde, Alexey Chernikov, DN, DN, Dn, Bahan Alam.
Doi: 10.1038/s41563-025-02129-6
Shao menyelesaikan gelar doktor dan persekutuan postdoctoral di Universitas Columbia. Other contributors are Siyuan Qiu, Evan J. Telford, Brian SY Kim, Francesco L. Ruta, Andrew J. Mills, Daniel G. Chica, Avalon H. Dismukes, Michael E. Ziebel, Yiping Wang, Jeongheon Choe, Youn Jue Bae, Xiaoyang Zhu, Xavier Roy and DN Basov, Columbia University; Florian Dirnberger, Sophia Terres dan Alexey Chernikov, Tud Dresden University of Technology, Jerman; Swagata Acharya dan Rupert Huber, Laboratorium Energi Terbarukan Nasional, Amerika Serikat; Dimitar Pashov, King's College London, Inggris; Mikhail I. Katsnelson, Universitas Radboud, Belanda; Kseniia Mosina dan Mark Van Schilfgaarde, Universitas Kimia dan Teknologi Praha, Republik Ceko; dan Zdenek Sofer, Universitas Regensburg, Jerman. Dirnberger juga berafiliasi dengan Universitas Teknik Munich. Kim juga berafiliasi dengan University of Arizona. Mills juga berafiliasi dengan Flatiron Institute.
Departemen Energi AS, Dewan Penelitian Eropa, Yayasan Sains Nasional AS, Würzburg-Dresden Cluster of Excellence pada kompleksitas dan topologi dalam materi kuantum dan program Emmy Noether mendukung pekerjaan ini.
