Un equipo de científicos de la Universidad de Chicago y la Universidad Estatal de Pensilvania descubrió accidentalmente una nueva forma de usar la luz para dibujar y borrar circuitos de mecánica cuántica en una clase única de materiales llamados aislantes topológicos.
En contraste con el uso de instalaciones avanzadas de nanofabricación basadas en el procesamiento químico de materiales, esta técnica flexible permite la 'fabricación óptica' regrabable de dispositivos. Es probable que este hallazgo genere nuevos desarrollos en tecnologías emergentes como la electrónica de baja potencia basada en el girode electrones o computadoras cuánticas ultrarrápidas.
La investigación se publica hoy en la nueva revista en línea de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia Avances científicos .
"Esta observación fue una completa sorpresa", dijo David D. Awschalom, profesor de la familia Liew y subdirector del Instituto de Ingeniería Molecular de UChicago, y uno de los dos investigadores principales del proyecto. "Es uno de esos momentos rarosen la ciencia experimental donde un evento aparentemente aleatorio, encender las luces de la habitación, generó efectos inesperados con impactos potencialmente importantes en la ciencia y la tecnología ".
Los electrones en los aislantes topológicos tienen propiedades cuánticas únicas que muchos científicos creen que serán útiles para desarrollar equipos electrónicos basados en espín y computadoras cuánticas. Sin embargo, incluso los circuitos experimentales más simples con estos materiales han resultado difíciles porque las técnicas tradicionales de ingeniería de semiconductores tienden a destruirsus frágiles propiedades cuánticas. Incluso una breve exposición al aire puede reducir su calidad.
adentro Avances científicos , los investigadores informan el descubrimiento de un efecto óptico que les permite "sintonizar" la energía de los electrones en estos materiales usando la luz, y sin tener que tocar el material en sí. Lo han usado para dibujar y borrar uniones pn -- uno de los componentes centrales de un transistor - en un aislante topológico por primera vez
Al igual que muchos avances en la ciencia, el camino hacia este descubrimiento tuvo un giro inesperado.
"Para ser honesto, estábamos tratando de estudiar algo completamente diferente", dijo Andrew Yeats, un estudiante graduado en el laboratorio de Awschalom y autor principal del artículo. "Hubo una deriva lenta en nuestras mediciones que rastreamos a un tipo particular deluces fluorescentes en nuestro laboratorio. Al principio nos alegramos de deshacernos de él, y luego nos llamó la atención: las luces de nuestra habitación estaban haciendo algo por lo que la gente trabaja muy duro en estos materiales ".
Los investigadores volvieron a Bulley & Andrews, el contratista que renovó el espacio del laboratorio para obtener más información sobre las luces. "Nunca he tenido un cliente tan obsesionado con la iluminación del techo", dijo Frank Floss, superintendente de Bulley & AndrewsConstrucción: "Nunca podría haber imaginado lo importante que resultaría".
Los investigadores descubrieron que la superficie del titanato de estroncio, el material del sustrato en el que habían crecido sus muestras, se polariza eléctricamente cuando se expone a la luz ultravioleta, y las luces de su habitación se emitían a la longitud de onda correcta.el titanato de estroncio polarizado estaba goteando en la capa aislante topológica, cambiando sus propiedades electrónicas.
Awschalom y sus colegas descubrieron que al enfocar intencionalmente haces de luz en sus muestras, podían dibujar estructuras electrónicas que persistieron mucho después de que se quitó la luz.
"Es como tener una especie de grabado cuántico en nuestro laboratorio", dijo. También encontraron que la luz roja brillante contrarrestaba el efecto de la luz ultravioleta, permitiéndoles escribir y borrar ". En lugar de gastar"semanas en la sala limpia y potencialmente contaminando nuestros materiales ", dijo Awschalom," ahora podemos dibujar y medir dispositivos para nuestros experimentos en tiempo real. Cuando hayamos terminado, simplemente lo borramos y hacemos algo más. Podemos hacer esto en menosque un segundo "
Para probar si la nueva técnica podría interferir con las propiedades únicas de los aislantes topológicos, el equipo midió sus muestras en campos magnéticos altos. Encontraron firmas prometedoras de un efecto llamado anti-localización débil, que surge de la interferencia cuántica entre las diferentes simultáneascaminos que los electrones pueden atravesar un material cuando se comportan como ondas.
"Un aspecto emocionante de este trabajo es que no es invasivo", dijo Nitin Samarth, profesor y jefe de física de Downsbrough en Penn State, e investigador principal del proyecto ". Dado que la polarización eléctrica se produce en un material adyacente y el efectopersiste en la oscuridad, el aislante topológico permanece relativamente intacto. Con estos materiales cuánticos frágiles, a veces hay que usar un toque ligero ".
Para comprender mejor la física detrás del efecto, los investigadores realizaron una serie de mediciones de control que mostraron que el efecto óptico no es exclusivo de los aislantes topológicos, sino que también puede actuar sobre otros materiales cultivados en titanato de estroncio.
"En cierto modo, el aspecto más emocionante de este trabajo es que debería ser aplicable a una amplia gama de materiales a nanoescala como óxidos complejos, grafeno y dichoslcogenuros de metales de transición", dijo Awschalom.
"No es solo que sea más rápido y fácil. Este efecto podría permitir la sintonización eléctrica de materiales en una amplia gama de experimentos ópticos, magnéticos y espectroscópicos en los que los contactos eléctricos son extremadamente difíciles o simplemente imposibles".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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