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鸡蛋盒给的灵感!新型量子点阵列或成超低功耗计算关键

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。”

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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

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