宾夕法尼亚州立大学的研究人员揭示了一种改变量子材料中电子流的电气方法，为先进的电子学和量子计算机铺平了道路。
研究人员首次进行了演示演示了如何电气化在有前途的量子计算材料中改变电子流方向。
一种方便地改变某些量子材料中电子流方向的新电学方法可能对下一代电子设备和量子计算机的发展产生影响。宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员在材料中开发并演示了这种方法，这些材料表现出量子反常霍尔(QAH)效应——一种沿着材料边缘流动的电子不会损失能量的现象。该团队在10月19日发表在《自然材料》杂志上的一篇论文中描述了这项工作。
即时通讯电子流控制的重要性
“随着电子设备越来越小，计算需求越来越大，找到提高信息传输效率的方法变得越来越重要，其中包括电子流的控制，”宾夕法尼亚州立大学Henry W. Knerr早期职业教授和物理学副教授、论文的共同通讯作者张翠祖(Cui-Zu Chang)说。“QAH效应很有希望，因为当电子沿着材料边缘流动时，没有能量损失。”
2013年，Chang是第一个通过实验证明这种量子现象的人。表现出这种效应的材料被称为QAH绝缘体，这是一种拓扑绝缘体——一层只有几十个原子厚的薄膜——被制成磁性，因此它们只在边缘传导电流。因为电子在一个方向上干净地运动，这种效应被称为无耗散，这意味着没有能量以热的形式损失。
宾夕法尼亚州立大学的研究人员采用了一种新方法，方便地改变了材料中电子流的方向，这种材料表现出量子反常霍尔(QAH)效应——一种沿着材料边缘流动的电子不会损失能量的现象。该方法利用了一种被称为自旋轨道扭矩的物理机制，这与材料的内部磁性有关。对材料施加5毫秒的电流脉冲会影响内部磁性并改变电子流的自由裁量权(例如，从右手流向左手)。图片来源:Chang Lab/宾夕法尼亚州立大学
电子控制的新电气方法
Chang说:“在QAH绝缘体中，材料一侧的电子沿一个方向运动，而另一侧的电子沿相反方向运动，就像一条双车道的高速公路。”“我们早期的工作展示了如何扩大QAH效应，本质上是创造了一条多车道高速公路，以实现更快的电子传输。在这项研究中，我们开发了一种新的电气方法来控制电子高速公路的传输方向，并为这些电子提供了一种立即掉头的方法。”
研究人员制造了一种具有特定、优化性能的QAH绝缘体。他们发现，在QAH绝缘体上施加5毫秒的电流脉冲会影响材料的内部磁性，并导致电子改变方向。在量子技术中，改变方向的能力对于优化信息传输、存储和检索至关重要。不像目前的电子学，数据存储在二进制状态，如开或关-作为一个或零-量子数据可以同时存储在一个可能的状态范围内。改变电子流是写入和读取这些量子态的重要一步。
从磁到电网卡控制
宾夕法尼亚州立大学物理学教授、该论文的共同通讯作者刘朝兴(Chao-Xing Liu)说:“以前切换电子流方向的方法依赖于外部磁铁来改变材料的磁性，但在电子设备中使用磁铁并不理想。”“笨重的磁铁不适用于智能手机等小型设备，而电子开关通常比磁性开关快得多。在这项工作中，我们发现了一种方便的电子方法来改变电子流的方向。”
研究人员先前优化了QAH绝缘体，以便他们可以利用系统中的物理机制来控制其内部磁性。
刘说:“为了使这种方法有效，我们需要增加施加电流的密度。”“通过缩小QAH绝缘体装置，电流脉冲产生了非常高的电流密度，从而改变了磁化方向，以及电子传输路线的方向。”
根据研究人员的说法，量子材料从磁性到电子控制的转变类似于传统内存存储的转变:在原始硬盘驱动器和软盘上存储信息时，需要使用磁铁来产生磁场并写入数据，而在USB驱动器、固态硬盘驱动器和智能手机中使用的新型“闪存”则是电子写入的。有前途的扩展内存的新技术，如MRAM，同样依赖于与内磁相关的物理机制。
理论阐释与未来努力
除了实验证明，研究小组还对他们的方法进行了理论解释。
该团队目前正在探索如何在电子路径上暂停电子-基本上是打开和关闭系统。他们还在研究如何在更高温度下证明QAH效应。
Chang说:“这种效应，以及目前对量子计算机和超导体的要求，都需要非常低的温度，接近绝对零度。”“我们的长期目标是在技术上更相关的温度下复制QAH效应。”
参考文献:“量子异常霍尔绝缘体中边缘电流手性的电开关”，袁伟，周凌杰，杨凯杰，赵一凡，张若喜，闫子杰，卓德毅，梅若冰，王洋，易和面，Moses H. W. Chan, Morteza Kayyalha，刘朝兴，常翠祖，2023年10月19日，Nature Materials。DOI: 10.1038 / s41563 - 023 - 01694 - y
除了Chang和Liu，宾夕法尼亚州立大学当时的研究团队还包括博士后研究人员Wei Yuan, Yang Wang和Hemian Yi;研究生:周玲杰、杨凯杰、赵一凡、张若曦、颜子杰、卓德毅、梅若冰;电气工程助理教授Morteza Kayyalha;以及Evan Pugh大学物理学名誉教授Moses Chan。
陆军研究办公室、空军科学研究办公室和国家科学基金会(NSF)资助了这项研究。美国国家科学基金会资助的宾夕法尼亚州立大学纳米科学材料研究科学与工程中心以及戈登和贝蒂摩尔基金会的EPiQS计划提供了额外的支持。
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希望本篇文章《量子控制突破将改变下一代电子和计算机的游戏规则》能对你有所帮助！
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