Científicos del Laboratorio Ames, Laboratorio Nacional Brookhaven, y la Universidad de Alabama en Birmingham han descubierto un mecanismo de conmutación inducido por la luz en un semimetal de Dirac. El mecanismo establece una nueva forma de controlar el material topológico, impulsado por el movimiento de ida y vuelta de átomos y electrones, que permitirá la computación cuántica y de transistores topológicos utilizando ondas de luz.

Al igual que los transistores y fotodiodos de hoy en día reemplazaron a los tubos de vacío hace más de medio siglo, Los científicos están buscando un avance similar en los principios de diseño y materiales novedosos para lograr capacidades de computación cuántica. La capacidad de computación actual enfrenta enormes desafíos en términos de complejidad, el consumo de energía, y velocidad; exceder los límites físicos alcanzados a medida que la electrónica y los chips se calientan y aceleran, se necesitan mayores avances. Particularmente a escalas pequeñas, estos problemas se han convertido en obstáculos importantes para mejorar el desempeño.

“La ingeniería topológica de ondas de luz busca superar todos estos desafíos impulsando el movimiento periódico cuántico para guiar electrones y átomos a través de nuevos grados de libertad, es decir., topología, e inducir transiciones sin calentamiento a frecuencias de terahercios sin precedentes, definido como un billón de ciclos por segundo, velocidades de reloj, "dijo Jigang Wang, un científico senior en el Laboratorio Ames y profesor de física en la Universidad Estatal de Iowa. "Este nuevo principio de control coherente está en marcado contraste con cualquier método de ajuste de equilibrio utilizado hasta ahora, como eléctrico, campos magnéticos y de deformación, que tienen velocidades mucho más lentas y mayores pérdidas de energía ".

Adopción a gran escala de nuevos principios computacionales, como la computación cuántica, requiere la construcción de dispositivos en los que los estados cuánticos frágiles estén protegidos de sus entornos ruidosos. Un enfoque es mediante el desarrollo de la computación cuántica topológica, en el que los qubits se basan en cuasipartículas "protegidas por simetría" que son inmunes al ruido.

Sin embargo, Los científicos que estudian estos materiales topológicos enfrentan un desafío:cómo establecer y mantener el control de estos comportamientos cuánticos únicos de una manera que haga posibles aplicaciones como la computación cuántica. En este experimento, Wang y sus colegas demostraron que el control mediante el uso de la luz para dirigir los estados cuánticos en un semimetal de Dirac, un material exótico que exhibe extrema sensibilidad debido a su proximidad a una amplia gama de fases topológicas.

"Lo logramos aplicando un nuevo principio de control cuántico de luz conocido como oscilaciones coherentes de fonón Raman selectivas de modo, que impulsan movimientos periódicos de átomos alrededor de la posición de equilibrio utilizando pulsos de luz cortos, "dice Ilias Perakis, profesor de física y presidente de la Universidad de Alabama en Birmingham. "Estas fluctuaciones cuánticas impulsadas inducen transiciones entre estados electrónicos con diferentes huecos y órdenes topológicos".

Una analogía de este tipo de conmutación dinámica es el péndulo de Kapitza impulsado periódicamente, que puede pasar a una posición invertida pero estable cuando se aplica vibración de alta frecuencia. El trabajo del investigador muestra que este principio de control clásico (conducir los materiales a una nueva condición estable que no se encuentra normalmente) es sorprendentemente aplicable a una amplia gama de fases topológicas y transiciones de fase cuántica.

"Nuestro trabajo abre una nueva arena de la electrónica topológica de ondas de luz y las transiciones de fase controladas por la coherencia cuántica, "dice Qiang Li, Líder de grupo del Grupo de Materiales de Energía Avanzada del Laboratorio Nacional de Brookhaven. "Esto será útil en el desarrollo de futuras estrategias de computación cuántica y electrónica con alta velocidad y bajo consumo de energía".

La espectroscopia y el análisis de datos se realizaron en el Laboratorio Ames. La construcción y el análisis de modelos se realizaron parcialmente en la Universidad de Alabama, Birmingham. El desarrollo de la muestra y las mediciones del magneto-transporte se realizaron en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Los cálculos funcionales de densidad fueron apoyados por el Centro para el Avance de Semimetales Topológicos, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía del DOE en el Laboratorio Ames.

La investigación se analiza con más detalle en el documento, "Coherencia Raman impulsada por la luz como una ruta no térmica para la conmutación de topología ultrarrápida en un semimetal Dirac, "escrito por C. Vaswani, L.-L. Wang, D.H. Mudiyanselage, Q. Li, P. M. Lozano, G. Gu, D. Cheng, B. Canción, L. Luo, R. H. J. Kim, C. Huang, Z. Liu, M. Mootz, ES DECIR. Perakis, Y. Yao, K. M. Ho, y J. Wang; y publicado en Revisión física X .