Le réseau de points quantiques «carton d’œufs» peut produire des appareils à très faible puissance


Quantum

Crédit: Unsplash / CC0 Public Domain

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’Université du Michigan a découvert une nouvelle façon d’envoyer et de recevoir des informations en utilisant des photons uniques de lumière.

Leur expérience a démontré la capacité d’utiliser un effet connu sous le nom de non-linéarité pour modifier et capturer des signaux lumineux extrêmement faibles, en tirant parti des changements importants apportés à un système quantique pour piloter l’informatique de nouvelle génération.

Étant donné que la technologie de l’information basée sur l’électronique au silicium est de plus en plus limitée par le chauffage et la consommation d’énergie, l’optique non linéaire est étudiée de manière intensive en tant que solution possible. La boîte à œufs quantique capture et libère des photons, prend en charge les états «excités» tout en ayant l’énergie supplémentaire. Lorsque l’énergie dans le système augmente, un saut d’énergie plus important est nécessaire pour atteindre le prochain état excité – c’est-à-dire la non-linéarité.

« Les chercheurs se sont demandé si les effets non linéaires détectables pouvaient être maintenus à des niveaux de puissance extrêmement bas – jusqu’au de photons uniques. Cela nous pousserait à la limite inférieure fondamentale de la consommation d’énergie dans le traitement de l’information », a déclaré Hui Deng, professeur de physique et auteur principal de l’article en la nature.

« Nous avons démontré un nouveau type d’état hybride pour nous amener à ce régime en connectant la lumière et la matière à travers une série de quantiques », a-t-elle ajouté.

Les physiciens et les ingénieurs ont utilisé un nouveau type de semi-conducteur pour créer des points quantiques disposés comme une boîte à œufs. Les points quantiques sont essentiellement de minuscules structures qui peuvent isoler et enfermer des particules quantiques individuelles telles que des électrons et d’autres objets étrangers. Ces points sont les poches dans la boîte à œufs. Dans ce cas, ils restreignent les excitons, quasiparticules constituées d’un électron et d’un «  ». Un trou est créé lorsqu’un électron dans un semi-conducteur entre dans une bande d’énergie plus élevée et qu’une charge positive reste à sa place habituelle. Lorsque le trou fait de l’ombre à l’électron dans sa bande d’énergie parallèle, les deux sont considérés comme une unité, un exciton.

Dans les appareils conventionnels – avec peu ou pas de non-linéarité – les excitons se déplacent librement et se rencontrent à peine. Ces matériaux peuvent contenir de nombreux excitons identiques en même temps sans que les chercheurs ne remarquent un changement dans les propriétés du matériau.

Cependant, si l’exciton est confiné à un point quantique, il devient impossible de mettre un deuxième exciton identique dans la même poche. Vous avez besoin d’un exciton d’énergie plus élevée si vous voulez en mettre un autre, ce qui signifie que vous avez besoin d’un photon d’énergie plus élevée pour le fabriquer. Ceci est connu sous le nom de bloc quantique et est la cause de la non-linéarité.

Les points quantiques typiques, cependant, n’ont que quelques atomes de diamètre – ils ne sont pas à une échelle utilisable. En guise de solution, l’équipe de Deng a créé une série de points quantiques qui contribuent également à la non-linéarité.

L’équipe a produit ce paysage énergétique de la boîte à œufs en utilisant deux flocons semi-conducteurs, qui sont considérés comme des matériaux bidimensionnels car ils se composent d’une seule couche moléculaire de seulement quelques atomes d’épaisseur. Les semi-conducteurs 2D ont des propriétés quantiques très différentes des pièces plus grandes. Un flocon était du disulfure de tungstène et l’autre du diséléniure de molybdène. Les deux structures électroniques entrelacées, qui étaient disposées à un angle d’environ 56,5 degrés entre leurs réseaux atomiques, formaient un électronique plus grand avec des poches d’environ 10 atomes de diamètre.

Pour permettre la disposition des points quantiques dans le semi-conducteur 2D en tant que groupe à contrôler avec la lumière, l’équipe a construit un résonateur en créant un miroir en bas, en plaçant le semi-conducteur sur le dessus, puis en déposant un deuxième miroir en haut. du semi-conducteur.

« Vous devez contrôler l’épaisseur très soigneusement pour que le semi-conducteur atteigne le maximum du champ optique », a déclaré Zhang Long, stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Deng et premier auteur de l’article.

Avec le carton d’oeuf quantique intégré dans la «cavité» en miroir qui permettait à la lumière laser rouge de résonner, l’équipe a observé la formation d’un autre état quantique appelé polaritone. Les polaritons sont un mélange d’excitons et de lumière dans la cavité. Cela a confirmé que tous les points quantiques interagissent avec la lumière ensemble. Dans ce système, l’équipe de Deng a montré que l’ajout de quelques excitons à la boîte entraînait un changement mesurable de l’énergie du polariton – démontrant la non-linéarité et montrant qu’un blocage quantique se produisait.

« Les ingénieurs peuvent utiliser cette non-linéarité pour voir l’énergie déposée dans le système, peut-être jusqu’à celle d’un seul photon, ce qui rend le système prometteur en tant que commutateur à très faible énergie », a déclaré Deng.

Les commutateurs sont l’un des dispositifs requis pour le calcul de puissance ultra-faible et peuvent être intégrés dans des portails plus complexes.

« Les recherches du professeur Deng décrivent comment les non-linéarités de polaritones peuvent être ajustées pour utiliser moins d’énergie », a déclaré Michael Gerhold, directeur de programme au bureau de recherche de l’armée, qui fait partie du laboratoire de recherche de l’armée du commandement du développement des capacités de combat de l’armée américaine. « Le contrôle des polaritons est destiné à la future photonique intégrée, qui sera utilisée pour le calcul à ultra-basse énergie et le traitement de l’information qui pourrait être utilisé pour le traitement neuromorphique par des systèmes de vision, le traitement du langage naturel ou des robots autonomes. »

Le bloc quantique signifie également qu’un système similaire pourrait potentiellement être utilisé pour les qubits, les blocs de construction pour le traitement des informations quantiques. Un chemin aller consiste à déterminer comment adresser chaque point quantique dans le tableau comme un seul qubit. Une autre manière serait de réaliser un bloc de polariton, similaire au bloc d’exciton montré ici. Dans cette version, le tableau des excitons qui résonnent avec l’onde lumineuse dans le temps serait le qubit.

Utilisés de cette manière, les nouveaux semi-conducteurs 2D ont le potentiel d’amener les dispositifs quantiques à température ambiante au lieu du froid extrême de l’azote liquide ou de l’hélium liquide.

« Nous avons atteint la fin de la loi de Moore », a déclaré Steve Forrest, professeur de génie électrique à l’Université Peter A. Franken et co-auteur de l’article, faisant référence à la tendance de la densité des transistors sur une puce, qui est en train de doubler. tous les deux ans. «Les matériaux bidimensionnels ont de nombreuses propriétés électroniques et optiques passionnantes qui peuvent en fait nous emmener dans ce pays au-delà du silicium.


Amélioration des interactions grâce à un fort couplage lumière-matière


Plus d’information:
Long Zhang et coll. Polaritons d’hétérostructure de Van der Waals avec non-linéarité induite par le moiré, la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41586-021-03228-5

Fourni par l’Université du Michigan

Citation: Le « carton d’oeufs » à matrice de points quantiques peut conduire à des appareils de très faible puissance (2021, 4 ) le 5 mars 2021 sur https://phys.org/news/2021-03-egg-carton-quantum-dot -array.html

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