研究人员认为二维量子材料肩负着引领人类突破摩尔定律的重任。
phys.org网站当地时间3月4日报道，美国密歇根大学领导的国际研究团队在《自然》杂志中阐述了一条利用单光子收发信息的新途径。通过实验，他们不仅证实了借助非线性效应修改、检测极弱光信号的可能性，还表明利用量子系统的变化推进下一代计算研究势在必得。
现在，由于硅-电子信息技术受到散热和能耗方面的困扰，非线性光学作为一种潜在解决方案，吸引了广泛关注。“量子蛋盒”捕获并释放光子，在拥有额外能量时还可支持“激发态”。当系统能量增加时，它需要更大的能量才能跃迁至下一个激发态，这就是非线性效应。“研究人员希望弄清楚，可检测到的非线性效应是否能够在极低功率水平持续下去。这将使信息处理过程的功耗显著降低。”论文作者、物理学教授Hui Deng说，“我们展示了一种新型混合态，用一系列量子点将光和物质连接起来。”
研究人员使用一种新型半导体制造了蛋盒式量子点阵列。量子点本质上是可以隔离和限制单个量子粒子的微小结构。在蛋盒阵列中，它们限制了激子（电子和“空洞”组成的准粒子）。半导体中的电子被“踢入”更高能带时，会产生“空洞”。如果“空洞”在平行能带上遮蔽了电子，两者会被视作单一实体——激子。
在几乎不存在非线性效应的传统器件中，激子可以自由漫游，并且很少相互接触。然而，当激子被限制在一个量子点内时，除非你能找到一个能量更高的光子，否则无法在同一个量子点内放入相同的激子。这就是量子封锁现象，也是非线性产生的原因。
典型的量子点只有几个原子的宽度，应用范围有限。Deng的团队创造的量子点阵列是范围拓展的新尝试。研究人员用半导体二维材料（二硫化钨和二硒化钼）制作了蛋盒。两种材料相互交织的电子结构，构成了一个更大的电子晶格，使量子点宽度达到了10个原子。为了让二维半导体量子点阵列和光能够作为一个整体进行控制，研究人员在两块半导体材料之间设置了“镜片”谐振器。博士后研究员Zhang Long 说：“我们必须非常严格地控制厚度，才能使半导体达到光场最大值。”
将量子蛋盒嵌入能使红色激光共振的镜片“腔”中后，研究人员观察到了另一种量子态——极化激元。极化激元是腔中激子和光的混合体。这证实了所有量子点都与光产生了协同作用。在这个系统中，Deng团队证实：将若干激子放入其内会导致极化激元能量发生可测量变化，确证了非线性效应和量子封锁现象的产生。Deng说：“工程师可以利用非线性来识别存储在系统中的能量，并将其降低到单光子能量级别。因此，量子蛋盒系统也有望成为超低能耗开关。”
开关是实现超低功耗计算所需的设备之一，它们可以融入更复杂的控制极。论文作者Steve Forrest教授总结：“人类即将抵达摩尔定律的终点。二维材料表现出的突出光电学特性，有可能引领我们进入硅世界之外的领域。”
科界原创
编译：德克斯特
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《自然》
期刊编号：0025-0836
原文链接：
https://phys.org/news/2021-03-egg-carton-quantum-dot-array.html
版权声明：本文由科界平台原创编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源科技工作者之家—科界App。
