研究人員認為(wei) 二維量子材料肩負著引領人類突破摩爾定律的重任。

phys.org網站當地時間3月4日報道，美國密歇根大學領導的國際研究團隊在《自然》雜誌中闡述了一條利用單光子收發信息的新途徑。通過實驗，他們(men) 不僅(jin) 證實了借助非線性效應修改、檢測極弱光信號的可能性，還表明利用量子係統的變化推進下一代計算研究勢在必得。

現在，由於(yu) 矽-電子信息技術受到散熱和能耗方麵的困擾，非線性光學作為(wei) 一種潛在解決(jue) 方案，吸引了廣泛關(guan) 注。“量子蛋盒”捕獲並釋放光子，在擁有額外能量時還可支持“激發態”。當係統能量增加時，它需要更大的能量才能躍遷至下一個(ge) 激發態，這就是非線性效應。

“研究人員希望弄清楚，可檢測到的非線性效應是否能夠在極低功率水平持續下去。這將使信息處理過程的功耗顯著降低。”論文作者、物理學教授Hui Deng說，“我們(men) 展示了一種新型混合態，用一係列量子點將光和物質連接起來。”

研究人員使用一種新型半導體(ti) 製造了蛋盒式量子點陣列。量子點本質上是可以隔離和限製單個(ge) 量子粒子的微小結構。在蛋盒陣列中，它們(men) 限製了激子（電子和“空洞”組成的準粒子）。半導體(ti) 中的電子被“踢入”更高能帶時，會(hui) 產(chan) 生“空洞”。如果“空洞”在平行能帶上遮蔽了電子，兩(liang) 者會(hui) 被視作單一實體(ti) ——激子。

在幾乎不存在非線性效應的傳(chuan) 統器件中，激子可以自由漫遊，並且很少相互接觸。然而，當激子被限製在一個(ge) 量子點內(nei) 時，除非你能找到一個(ge) 能量更高的光子，否則無法在同一個(ge) 量子點內(nei) 放入相同的激子。這就是量子封鎖現象，也是非線性產(chan) 生的原因。

典型的量子點隻有幾個(ge) 原子的寬度，應用範圍有限。Deng的團隊創造的量子點陣列是範圍拓展的新嚐試。

研究人員用半導體(ti) 二維材料（二硫化鎢和二硒化鉬）製作了蛋盒。兩(liang) 種材料相互交織的電子結構，構成了一個(ge) 更大的電子晶格，使量子點寬度達到了10個(ge) 原子。為(wei) 了讓二維半導體(ti) 量子點陣列和光能夠作為(wei) 一個(ge) 整體(ti) 進行控製，研究人員在兩(liang) 塊半導體(ti) 材料之間設置了“鏡片”諧振器。

博士後研究員Zhang Long 說：“我們(men) 必須非常嚴(yan) 格地控製厚度，才能使半導體(ti) 達到光場最大值。”

將量子蛋盒嵌入能使紅色激光共振的鏡片“腔”中後，研究人員觀察到了另一種量子態——極化激元。極化激元是腔中激子和光的混合體(ti) 。這證實了所有量子點都與(yu) 光產(chan) 生了協同作用。在這個(ge) 係統中，Deng團隊證實：將若幹激子放入其內(nei) 會(hui) 導致極化激元能量發生可測量變化，確證了非線性效應和量子封鎖現象的產(chan) 生。

Deng說：“工程師可以利用非線性來識別存儲(chu) 在係統中的能量，並將其降低到單光子能量級別。因此，量子蛋盒係統也有望成為(wei) 超低能耗開關(guan) 。”

開關(guan) 是實現超低功耗計算所需的設備之一，它們(men) 可以融入更複雜的控製極。

論文作者Steve Forrest教授總結：“人類即將抵達摩爾定律的終點。二維材料表現出的突出光電學特性，有可能引領我們(men) 進入矽世界之外的領域。”

原創編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《自然》

期刊編號：0025-0836

原文鏈接：
https://phys.org/news/2021-03-egg-carton-quantum-dot-array.html

版權聲明：本文為(wei) 原創編譯，中文內(nei) 容僅(jin) 供參考，一切內(nei) 容以英文原版為(wei) 準。轉載請注明來源。



關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情