研究人员利用定制光控制二维材料的量子特性

一组科学家开发了一种方法，利用光的结构来扭曲和调整量子材料的特性。他们的研究结果今天发表在《自然》杂志上，为下一代量子电子学、量子计算和信息技术的进步铺平了道路。

该团队由来自能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员领导，将这种方法应用于一种称为六方氮化硼(hBN)的材料，这种材料是一种以蜂窝状图案排列的单层原子，具有独特的特性适合量子操纵。在他们的实验中，科学家们使用了一种特殊的光，其电场看起来像三叶草，以超快的时间尺度在量子水平上改变和控制材料的行为。

光波扭曲的方式还使研究人员能够精确控制材料的量子特性，即决定电子行为的规则，这对于电力和数据流至关重要。这种按需控制量子特性的能力可以为未来技术创建超快量子开关铺平道路。

领导这项研究的SLAC和斯坦福大学科学家ShubhadeepBiswas表示：“我们的工作类似于寻找一种与量子世界窃窃私语的新方式，并让它向我们揭示它的秘密。”

传统技术通常要求光具有恰到好处的能量来处理材料，而这种新方法巧妙地绕过了这一限制。通过使用一种特殊的光并调整其图案以匹配材料的图案，科学家可以将材料诱导成新的配置，而不受其自然特性的限制。

比斯瓦斯说：“这种结构光不仅照亮材料;它还围绕材料扭曲，以我们可以控制的方式按需改变其量子特性。”

这种灵活性可以使该方法适用于广泛的应用，从而更容易开发新技术。从本质上讲，该团队创造了电子以新的、可控的方式移动的条件。例如，这可能会导致量子计算机超高速交换机的开发，其性能可能大大优于我们今天使用的计算机。

除了直接结果之外，这项研究还为“谷电子学”领域的未来应用带来了希望，该领域利用材料不同能谷中电子的量子特性进行信息处理。与需要光与能谷相匹配的传统方法不同，新方法更具适应性，为开发量子器件提供了新方向。

研究人员操纵六方氮化硼量子谷的能力可能会带来新的设备，例如超快量子开关，它们不仅可以在0和1的二进制上运行，还可以在更复杂的量子信息中运行。这将允许更快、更有效地处理和存储信息。

“这不仅仅是打开和关闭开关的问题，”合作者、LCLS研发部门主管马蒂亚斯·F·克林(MatthiasF.Kling)说。“它是关于创建一个可以同时存在于多种状态的开关，从而极大地提高我们设备的功率和潜力。它开辟了一种在量子水平上设计材料特性的全新方法。潜在的应用是巨大的，范围广泛从量子计算到新形式的量子信息处理。”

这项研究还揭示了科学家与量子世界互动和控制量子世界的基本方式。对于参与其中的科学家来说，这次进入量子领域的旅程不仅是发现的兴奋，也是突破可能性的界限。

“最令人兴奋的方面之一是我们的发现的巨大潜力，”比斯瓦斯说。“我们正处于技术新时代的风口浪尖，我们才刚刚开始探索利用量子材料的力量可以实现什么。”

该团队还包括来自加兴马克斯·普朗克量子光学研究所的研究人员;德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学;和西班牙马德里材料科学研究所。