Вчені випадково відкрили можливість малювання квантової електроніки за допомогою світла

Формовані оптично квантові ланцюги в виставі художника.

Вчені з Чиказького університету та Університету штату Пенсільванія несподівано для себе відкрили новий спосіб використання світла для створення квантовомеханічних ланцюгів у топологічних ізоляторах. Електронні мікросхеми виявилося можливим «малювати» і «прати» за допомогою світла. До відкриття призвела випадковість: флуоресцентні лампи в лабораторії випускали ультрафіолет з певною довжиною хвилі. Це викликало зміни електричних властивостей топологічного ізолятора, що заважали роботі з ним.

Топологічні ізолятори мають унікальні властивості, які, як вважають фахівці, будуть затребувані при розробці квантових комп'ютерів і комп'ютерів на базі спинової електроніки. Тим не менш, виготовлення навіть найпростіших схем з цих матеріалів виявилося ускладнене, так як традиційні методи напівпровідникової інженерії, як правило, руйнують їх крихкі квантові властивості. Навіть короткочасний вплив повітря може знизити якість таких матеріалів.

Дослідники з групи Девіда Авшалома (David Awschalom) повідомили про відкриття оптичного ефекту, який дозволяє «налаштовувати» енергію електронів у топологічних ізоляторах за допомогою світла, без фізичного контакту з самим матеріалом. Вони використовували цей ефект для малювання і стирання p-n-переходів - вперше для топологічних ізоляторів.

Як і в разі багатьох інших досягнень у науці, шлях до цього відкриття мав нетривіальний поворот.

"По правді кажучи, ми намагалися вивчити щось зовсім інше, - сказав Ендрю Йейтс (Andrew Yeats), аспірант Чиказького університету і провідний автор наукової роботи. - У наших вимірах спостерігався повільний дрейф, який нам вдалося пов'язати з конкретним типом світла від флуоресцентних ламп нашої лабораторії. Спочатку ми були раді позбутися його, а потім нас осінило: наші лампи робили те, що багато хто давно і наполегливо домагався від цих матеріалів ".

Дослідники виявили зміну властивостей тонкої плівки (Bi, Sb₎ 2_Te3, розміщеної на субстраті з титанату стронцію. При опроміненні плівки світлом змінюється хімічний потенціал матеріалу, з якого вона складається. Це відбувається, якщо енергія кванту світла перевищує розмір енергетичної щілини матеріалу субстрату. І як з'ясувалося згодом, лампи в лабораторії, де проходили досліди, мають у своєму спектрі потрібну довжину хвилі.

В результаті опромінення ультрафіолетом змінюються електронні властивості топологічного ізолятора, що дозволяє створювати затвори для електричного струму і, в кінцевому підсумку, формувати мікросхеми.

Отримані напівпровідникові елементи зберігаються тривалий час після припинення впливу світла. Дослідники виявили також, що вплив червоного світла призводить до протилежного результату: хімічний потенціал знижується, повертаючи матеріал у вихідний стан.

Щоб краще зрозуміти фізику ефекту, дослідники провели ряд контрольних експериментів. Вони показали, що оптичний ефект не унікальний для топологічних ізоляторів. Він може діяти на інші матеріали, що ростуть на титанаті стронцію.

"У певному сенсі, найбільш вражаючий аспект даної роботи полягає в тому, що її результат застосовний для широкого спектру нанорозмірних матеріалів, таких як складні оксиди, графен і діхалькогеніди перехідних металів, - повідомив Авшалом. - Справа не тільки в тому, що це швидше і простіше. Цей ефект робить можливим електричне налаштування матеріалів в широкому діапазоні оптичних, магнітних і спектроскопічних експериментів, де електричні контакти вкрай складні або просто неможливі ".