Znajdź zawartość

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej i Uniwersytetu w Würzburgu pochwalili się na łamach Nature Communications dokonaniem przełomu na polu badań kwantowych. Po raz pierwszy w historii udało się uzyskać ekscytony w izolatorze topologicznym. W skład zespołu naukowego weszli Marcin Syperek, Paweł Holewa, Paweł Wyborski i Łukasz Dusanowski z PWr., a obok naukowców z Würzburga wspomagali ich uczeni z Uniwersytetu w Bolonii i Oldenburgu. Izolatory topologiczne to jednorodne materiały, które są izolatorami, ale mogą przewodzić ładunki elektryczne na swojej powierzchni, a wystąpienie przewodnictwa nie jest związane ze zmianą fazy materiału, np. z jego utlenianiem się. Pojawienie się przewodnictwa związane jest ze zjawiskami kwantowymi występującymi na powierzchni takich izolatorów. Istnienie izolatorów topologicznych zostało teoretycznie przewidziane w 1985 roku, a eksperymentalnie dowiedzione w 2007 roku właśnie na Uniwersytecie w Würzburgu. Dotychczasowe prace nad wykorzystaniem izolatorów topologicznych koncentrowały się wokół prób kontroli przepływu ładunków elektrycznych za pomocą napięcia. Jeśli jednak izolator był wykonany z cząstek obojętnych elektrycznie, takie podejście nie działało. Naukowcy musieli więc wymyślić coś innego. W tym wypadku tym czymś okazało się światło. Po raz pierwszy udało się wygenerować kwazicząstki – tak zwane ekscytony – w izolatorze topologicznym i eksperymentalnie udowodnić ich istnienie. W ten sposób uzyskaliśmy nowe narzędzie, za pomocą którego możemy – metodami optycznymi – kontrolować elektrony. Otworzyliśmy nowy kierunek badań nad izolatorami topologicznymi, mówi profesor Ralph Claessen. Ekscyton to kwazicząstka, która stanowi parę elektron-dziura połączoną siłami elektrostatycznymi. Uzyskaliśmy ekscytony oddziałując krótkimi impulsami światła na jednoatomową warstwę materiału, mówi profesor Claessen. Przełomowy tutaj jest fakt, że materiałem tym był izolator topologiczny. Dotychczas nie udawało się w nim uzyskać ekscytonów. W tym przypadku izolator zbudowany był z bizmutu, którego atomy ułożono w strukturę plastra miodu. Całość badań optycznych przeprowadzono w Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur Politechniki Wrocławskiej. Osiągnięcie to jest o tyle istotne, że od około 10 lat specjaliści badają ekscytony w dwuwymiarowych półprzewodnikach, chcąc wykorzystać je w roli nośników informacji kontrolowanych światłem. Teraz za pomocą światła uzyskaliśmy ekscytony w izolatorze topologicznym. Reakcje zachodzące pomiędzy światłem a ekscytonami mogą prowadzić do pojawienia się nowych zjawisk w takich materiałach. To zaś można będzie wykorzystać, na przykład, do uzyskiwania kubitów, wyjaśnia Claessen. Kubity, czyli kwantowe bity, to podstawowe jednostki informacji w komputerach kwantowych. Badania polsko-niemieckiego zespołu mogą więc doprowadzić do powstania nowych kontrolowanych światłem podzespołów dla komputerów kwantowych. « powrót do artykułu

Artykuł, opublikowany w Nature Communications przez Hidekiego Hiroriego, zapowiada przełom w budowie urządzeń wykorzystujących tranzystory. Odkrycie japońskich uczonych z Kyoto University może prowadzić do pojawienia się niezwykle szybkich tranzystorów oraz bardzo wydajnych ogniw fotowoltaicznych. Naukowcy pracując ze standardowym arsenkiem galu zaobserwowali, że poddanie próbki działaniu krótkiego impulsu pola elektrycznego o częstotliwości przekraczającej teraherc, spowodowało pojawienie się w niej prawdziwej lawiny par elektron-dziura (ekscytonów). Wystarczyło włączenie pojedynczego impulsu trwającego pikosekundę, by gęstość ekscytonów, w porównaniu ze stanem wyjściowym próbki, zwiększyła się 1000-krotnie. Badania nad zastosowaniem terahercowych częstotliwości prowadzone są w laboratorium profesora Koichiro Tanaki, który chce stworzyć dzięki nim mikroskop pozwalający na obserwowanie w czasie rzeczywistym żywych komórek. Wpływ takich częstotliwości na półprzewodnik to efekt uboczny badań, pokazujący jednak, jak wielkie możliwości drzemią w terahercowych częstotliwościach.

Polarytony, kwazicząsteczki powstałe wskutek silnego sprzężenia fotonów i ekscytonów, wykazują jeszcze silniejsze sprzężenie, gdy trafiają do półprzewodnikowych struktur o wielkościach liczonych w nanometrach. To ważne odkrycie na polu fotoniki, dzięki której mogą powstać szybsze i mniejsze układy scalone, wykorzystujące do obliczeń i przesyłania danych światło w miejsce elektronów. Ekscyton to połączenie elektronu, który ma ładunek ujemny, z dziurą o ładunku dodatnim. Światło oscyluje w polu elektromagnetycznym, zatem może łączyć się z ekscytonami. Gdy ich częstotliwości są zgodne, ich oscylacje wzmacniają się - wyjaśnia profesor Ritesh Agarwal z University of Pennsylvania. Silne sprzężenie światła z materią to jedno z podstawowych zjawisk, na których opiera się fotonika. Dotychczas jednak przypuszczano, że siła ta zależy od półprzewodnika, w których znajdują się polarytony i jest w nim niezmienna. Tymczasem zespól Agarwala wykazał, że dzięki odpowiedniemu procesowi produkcyjnemu półprzewodnika można zmieniać siłę sprzężenia. Do wielkości mniej więcej mikrometra siła sprzężeń w półprzewodniku jest stała. Jeśli jednak zejdzie się poniżej 500 nanometrów to, jak wykazaliśmy, siła ta dramatycznie rośnie - mówi Agarwal. Już wcześniej próbowano tworzyć w półprzewodnikach tak małe polarytonowe wnęki, jednak chemiczne wytrawianie używane przy produkcji tego typu struktur niszczyło powierzchnię półprzewodników, a powstałe w ten sposób niedoskonałości więziły ekscytony czyniąc je bezużytecznymi. Nasze nanokable z siarczku kadmu samodzielnie układają się w pożądane struktury, nie stosujemy chemicznego wytrawiania. Mimo to jakość powierzchni jest wciąż czynnikiem decydującym, dlatego też opracowaliśmy nową technikę pasywacji powierzchni. Hodujemy na powierzchni nanokabli powłokę z tlenku krzemu, co znacznie poprawia ich właściwości optyczne - wyjaśnia uczony. Taka powłoka wypełnia niedoskonałości na powierzchni nanokabli, zapobiegając uwięźnięciu w nich ekscytonów. Uczeni opracowali też narzędzia i techniki służące do pomiaru siły sprzężenia światła z materią. Im silniejsze jest to sprzężenie, tym lepiej działają fotoniczne przełączniki. Tranzystory elektryczne działają dzięki temu, że elektrony wchodzą ze sobą w interakcje. Fotony tego nie robią. Aby takie przełączniki działały konieczne jest połączenie właściwości fotonów z materiałem, w którym się znajdują - dodaje Agarawal.

W Nature Photonics grupa naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UCSD) i Santa Barbara (UCSB) informuje o stworzeniu hybrydowego elektroniczno-fotonowego układu scalonego, który pracuje w temperaturze około 100 kelwinów. To wciąż bardzo niska temperatura (ok. -173 stopnie Celsjusza), jednak dotychczas podobne kości pracowały w temperaturach około 1,5 kelwinów. Naszym celem jest stworzenie wydajnego urządzenia wykorzystującego ekscytony, które będzie pracowało w temperaturze pokojowej i zastąpi urządzenia elektroniczne tam, gdzie ważne jest szybkie przesyłanie danych - stwierdził Leonid Butov, fizyk z UCSD. Nasze badania wciąż znajdują się na bardzo wczesnym etapie. Niedawno nasz zespół przeprowadził dowód na możliwość skonstruowania tranzystora bazującego na ekscytonach. Prowadzimy dalsze badania - dodał. Ekscytony to pary składające się z negatywnie naładowanych elektronów i pozytywnie naładowanych "dziur". Mogą być one tworzone przez światło w półprzewodnikach (np. w arsenku galu). Gdy dochodzi do połączenia dziury i elektronu, następuje rozpad ekscytonu i uwalniana jest energia w postaci błysku światła. To z kolei oznacza, że urządzenia bazujące na ekscytonach mogą być znacznie bardziej wydajne, niż urządzenia elektroniczne. W tych ostatnich konieczna jest konwersja sygnału elektrycznego do światła przed wysłaniem danych. Nasz tranzystor przetwarza sygnały używając do tego celu ekscytonów, które, podobnie jak elektrony, mogą być kontrolowane za pomocą napięcia elektrycznego, jednak w przeciwieństwie do elektronów, po opuszczeniu obwodu samoistnie zmieniają się w fotony. Takie sprzężenie pomiędzy ekscytonem a fotonem wypełnia lukę pomiędzy komunikacją a obliczaniem.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego jako pierwsi wybudowali tranzystor wykorzystujący kwazicząsteczki zwane ekscytonami. Tego typu tranzysory mogą przyspieszyć pracę urządzeń komunikacyjnych. Do komunikacji wykorzystujemy światło, jednak w pewnym momencie niesiona przez foton informacja musi być zmieniona w dane elektryczne. Konwertowanie sygnału z fotonów do elektronów i odwrotnie, ogranicza prędkość systemów komunikacyjnych. Profesor Leonid Butov, który wraz z kolegami stworzył nowy tranzystor, wyjaśnia: Nasz tranzystor przetwarza sygnały używając do tego celu ekscytonów, które, podobnie jak elektrony, mogą być kontrolowane za pomocą napięcia elektrycznego, jednak w przeciwieństwie do elektronów, po opuszczeniu obwodu samoistnie zmienia się w foton. Takie sprzężenie pomiędzy ekscytonem a fotonem wypełnia lukę pomiędzy komunikacją a obliczaniem. Ekscytony to pary elektron-dziura. Są one tworzone przez światło w półprzewodnikach. Butov i jego współpracownicy użyli "studni kwantowych", które pozwoliły na utrzymanie pomiędzy elektronem a dziurą odległości kilku nanometrów. Taka konfiguracja pozwalała na kontrolowanie za pomocą napięcia elektrycznego powstających ekscytonów. Dzięki niemu można ekscyton zatrzymać lub go uwolnić i zezwolić na opuszczenie półprzewodnika. Opuszczając go ekscyton zanika emitując swoją energię w postaci rozbłysku światła. Naukowcy stworzyli już prosty układ scalony z bramkami i byli w stanie precyzyjnie kontrolować przepływ ekscytonów. Poruszają się one bardzo szybko. Przełączanie stanu bramki trwa około 200 pikosekund. Ekscytony nadają się zatem do przeprowadzania obliczeń, chociaż tutaj nie mają przewagi nad elektronami. Poruszają się z podobną prędkością, a ich wadą jest fakt, że wymagają nowych materiałów. Obecnie wykorzystywane półprzewodniki z arsenku galu wymagają np. schłodzenia do bardzo niskich temperatur, w przeciwnym razie ekscytony nie powstaną.