В трех отдельных исследованиях, опубликованных в этом месяце в журналах Nature, Science Advances и Nature Materials, исследователи UCI и коллеги из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Принстонского университета, Университета Фудань и Университета Мэриленда изучали физику, лежащую в основе двухмерных состояний романа. материалы и решили, что они могут подтолкнуть компьютеры к новым высотам скорости и мощности.Общие темы, проходящие через статьи, заключаются в том, что исследования проводятся при чрезвычайно низких температурах и что носителями сигнала во всех трех исследованиях являются не электроны, как в традиционных кремниевых технологиях, а фермионы Дирака или Майорана, частицы без массы, которые двигаться почти со скоростью света.
«Наконец, мы можем взять экзотические передовые теории физики и сделать что-нибудь полезное», — сказал доцент физики UCI. астрономия Цзин Ся, автор-корреспондент двух исследований. «Мы изучаем возможность создания топологических квантовых компьютеров [в настоящее время теоретических] в течение следующих 100 лет».Одна из ключевых задач таких исследований — обработка и анализ крошечных образцов материала, толщиной всего два атома, длиной несколько микрон и шириной несколько микрон. Лаборатория Ся в UCI оснащена созданным им волоконно-оптическим интерферометрическим микроскопом Саньяка. (Еще один существующий находится в Стэнфордском университете, собранный Ся, когда он был там аспирантом.) Назвав его самым чувствительным магнитным микроскопом в мире, Ся сравнивает его с телескопом, который орнитолог из Ирвина мог бы использовать для осмотра. глаз птицы в Нью-Йорке.«Эта машина — идеальный инструмент для измерения этих открытий», — сказал аспирант UCI Алекс Стерн, ведущий автор двух статей. «Это наиболее точный способ оптического измерения магнетизма материала».
В исследовании, которое будет опубликовано 24 апреля в журнале Nature, исследователи подробно описывают свои наблюдения — с помощью интерферометра Саньяка — магнетизма в микроскопической чешуйке теллурида хрома-германия. Созданное ими соединение просматривалось при температуре минус 387 градусов по Фаренгейту. CGT — двоюродный брат графена, сверхтонкой атомной углеродной пленки. С момента своего открытия графен считался потенциальной заменой кремнию в компьютерах следующего поколения и других устройствах из-за скорости, с которой электронные сигналы проходят по его почти идеально плоской поверхности.
Но есть одна загвоздка: некоторые компоненты компьютера, такие как память и системы хранения данных, должны быть изготовлены из материалов, обладающих как электронными, так и магнитными свойствами. Графен имеет первое, но не второе.
В CGT есть и то, и другое.Его лаборатория также использовала интерферометр Саньяка для исследования, опубликованного в Science Advances, изучающего, что происходит в тот момент, когда висмут и никель вступают в контакт друг с другом — опять же при очень низкой температуре (в данном случае минус 452 градуса по Фаренгейту). Ся сказал, что его команда обнаружила на границе между двумя металлами «экзотический сверхпроводник, который нарушает симметрию обращения времени».«Представьте, что вы поворачиваете часы вспять, и чашка красного чая становится зеленой.
Разве это не делает этот чай очень экзотическим? Это действительно экзотика для сверхпроводников», — сказал он. «И это впервые наблюдается в двухмерных материалах».
Носителями сигнала в этом двумерном сверхпроводнике являются майорановские фермионы, которые можно использовать для операции плетения, которая, по мнению теоретиков, жизненно важна для квантовых вычислений.«Сейчас проблема состоит в том, чтобы попытаться достичь этого при нормальных температурах», — сказал Ся.
Третье исследование показывает многообещающие возможности преодоления этого препятствия.В 2012 году лаборатория Ся доставила Управлению перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США радиочастотный генератор, построенный на основе гексаборида самария. Вещество является изолятором внутри, но позволяет току, несущему сигнал, состоящему из фермионов Дирака, свободно течь по его двумерной поверхности.
Используя специальный прибор, построенный в лаборатории Ся — также одной из двух в мире — исследователи UCI применили растягивающую деформацию к образцу гексаборида самария и продемонстрировали в исследовании Nature Materials, что они могут стабилизировать двумерное состояние поверхности при минусовой температуре. 27 градусов по Фаренгейту.
«Хотите верьте, хотите нет, здесь жарче, чем в некоторых частях Канады», — пошутил Ся. «Эта работа — большой шаг к разработке будущих квантовых компьютеров, работающих почти при комнатной температуре».