פיזיקאים מאוניברסיטת Rice גילו חומר קוונטי שיכול לעבור בין שני שלבים אלקטרוניים,
פעולה הסוללת את הדרך לטכנולוגיות זיכרון קוונטי מתקדמות המסוגלות לאחסן קיוביטים בצורה מהימנה.
Credit: SciTech
התגלית יכולה לזרז התפתחות של זיכרון קוונטי לא נדיף.
פיזיקאים מאוניברסיטת Rice גילו חומר קוונטי משנה שלב - ושיטה למציאת עוד כמוהו - שיכול לשמש ליצירת זיכרון דמוי פלאש המסוגל לאחסן סיביות קוונטיות של מידע, או קיוביטים, גם כאשר מחשב קוונטי מופעל מטה.
חומרים משנים שלב וזיכרון דיגיטלי
בעבר, נעשה שימוש בחומרים משנים שלבים בזיכרון דיגיטלי לא נדיף זמין מסחרית.
בתקליטורי DVD הניתנים לכתיבה מחדש, למשל, משתמשים בלייזר כדי לחמם פיסות דקות של חומר שמתקרר ליצירת גבישים או גושים אמורפיים. שני שלבים של החומר, בעלי תכונות אופטיות שונות מאוד, משמשים לאחסון האחדות והאפסים של פיסות מידע דיגיטליות.
במחקר בגישה פתוחה שפורסם לאחרונה ב- Nature Communications , הפיזיקאי Rais Ming ויותר משלושה תריסר מחברים משותפים מתריסר מוסדות - הראו באופן דומה שהם יכולים להשתמש בחום כדי להעביר גביש של ברזל, גרמניום וטלוריום בין שני שלבים אלקטרוניים. בכל אחד מאלה, התנועה המוגבלת של אלקטרונים מייצרת מצבים קוונטיים מוגנים טופולוגית.
בסופו של דבר, אחסון קיוביטים במצבים מוגנים טופולוגית עשוי להפחית שגיאות הקשורות לדה-קוהרנטיות שהטרידו את המחשוב הקוונטי .
גילוי וניסוי מפתיעים
זה בא לגמרי בהפתעה, בהתחלה התעניינו בחומר הזה בגלל התכונות המגנטיות שלו.
נדרשו יותר משנתיים ועבודה משותפת עם עשרות עמיתים כדי לפענח מה קורה בניסויים.
החוקרים גילו שחלק מדגימות הגביש התקררו מהר יותר מאחרות כשהן חוממו לפני הניסויים.
בניגוד לחומרים המשמשים ברוב טכנולוגיות הזיכרון המשתנות פאזה, Yi ועמיתיו גילו שלא צריך להמיס את סגסוגת הברזל-גרמניום-טלוריום ולהתגבש מחדש כדי לשנות שלבים. במקום זאת, הם גילו שאתרים אטומיים ריקים בסריג הגביש, הידועים כמקומות פנויים, היו מסודרים בתבניות מסודרות שונה בהתאם למהירות התקררות הגביש. כדי לעבור משלב דפוס אחד לאחר, הם הראו שהם יכולים פשוט לחמם את הגביש ולקרר אותו לפרק זמן ארוך יותר או קצר יותר.
השלכות תיאורטיות וכיוונים עתידיים
"אם אתה רוצה לשנות את סדר הפנויות בחומר, זה קורה בדרך כלל בטמפרטורות נמוכות בהרבה ממה שאתה צריך כדי להמיס הכל," אמר יי.
מחקרים מעטים חקרו כיצד התכונות הטופולוגיות של חומרים קוונטיים משתנות בתגובה לשינויים בסדר הפנויות.
"זה הממצא המפתח," סדר הפנויות הניתנות להחלפה של החומר. "הרעיון של שימוש בסדר פנויות כדי לשלוט בטופולוגיה הוא הדבר החשוב. זה פשוט לא באמת נחקר. אנשים בדרך כלל הסתכלו על חומרים רק מנקודת מבט סטוכיומטרית מלאה, כלומר הכל תפוס בסט קבוע של סימטריות שמובילות לסוג אחד של טופולוגיה אלקטרונית. שינויים בסדר הפנויות משנים את סימטריית הסריג. עבודה זו מראה כיצד זה יכול לשנות את הטופולוגיה האלקטרונית. וסביר להניח שסדר פנויות יכול לשמש כדי לגרום לשינויים טופולוגיים גם בחומרים אחרים."
הפיזיקאי התיאורטי Qimiao Si, מחבר שותף למחקר, אמר, "אני מוצא את זה מדהים שעמיתיי הנסיינים יכולים לארגן שינוי בסימטריה גבישית תוך כדי תנועה. זה מאפשר יכולת מיתוג בלתי צפויה לחלוטין ועם זאת מבורכת לחלוטין לתיאוריה, כמו גם אנו מבקשים לתכנן ולשלוט בצורות חדשות של טופולוגיה באמצעות שיתוף פעולה של מתאמים חזקים וסימטריית קבוצות החלל".
Reference: “Reversible non-volatile electronic switching in a near-room-temperature van der Waals ferromagnet” by Han Wu, Lei Chen, Paul Malinowski, Bo Gyu Jang, Qinwen Deng, Kirsty Scott, Jianwei Huang, Jacob P. C. Ruff, Yu He, Xiang Chen, Chaowei Hu, Ziqin Yue, Ji Seop Oh, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Yue Shi, Chandan Setty, Tyler Werner, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Sung-Kwan Mo, Alexei Fedorov, Jonathan D. Denlinger, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han, Xiaodong Xu, Robert J. Birgeneau, Jian-Xin Zhu, Eduardo H. da Silva Neto, Liang Wu, Jiun-Haw Chu, Qimiao Si and Ming Yi, 28 March 2024, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-024-46862-z
This research was supported by the Department of Energy (DOE) Office of Science User Facilities (DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-76SF00515, DE-SC0012704), the DOE Office of Basic Energy Sciences (DE-SC0021421, DE-SC0018197, DE-SC0019443, DE-AC02-05-CH11231, DE-AC02-76SF00515), the Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Initiative (GBMF9470), the Robert A. Welch Foundation (C-2175, C-1411, C-1839, C-2065-20210327), the Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0356, FA9550-22-1-0449, FA9550-22-1-0410), a Vannevar Bush Faculty Fellowship managed by the Office of Naval Research on behalf of the Department of Defense Basic Research Office (ONR-VB N00014-23-1-2870), the DOE National Nuclear Security Administration (89233218CNA000001), the DOE Laboratory Directed Research and Development Program (FR-20-653926), the Army Research Office (W911NF-19-1-0342), the National Science Foundation (2213891, 1829070, 2100741, 2034345), the Alfred P. Sloan Foundation’s Sloan Research Fellows Program and Rice’s Electron Microscopy Center.