研究人员利用定制光控制二维材料的量子特性

一个科学家团队开发出了一种利用光的结构来扭曲和调整量子材料特性的方法。他们的研究成果发表在今天的《自然》（Nature）杂志上，为下一代量子电子学、量子计算和信息技术的发展铺平了道路。

由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学研究人员领导的研究小组将这种方法应用于一种名为六方氮化硼（hBN）的材料，这种材料由单层原子以蜂窝状排列而成，其特性使其非常适合量子操纵。在实验中，科学家们利用一种电场看起来像三叶草的特殊光线，以超快的时间尺度在量子水平上改变和控制材料的行为。

光波的扭曲方式还能让研究人员精确控制材料的量子特性--决定电子行为的规则，而电子对电力和数据流至关重要。这种按需控制量子特性的能力可以为未来技术创造超快量子开关铺平道路。

光波控制谷值选择性带隙修正

领导这项研究的SLAC和斯坦福大学科学家Shubhadeep Biswas说：“我们的工作就像是找到了一种与量子世界窃窃私语的新方法，让它向我们揭示自己的秘密。”

传统技术通常要求光具有恰到好处的能量才能与材料发生作用，而这种新方法巧妙地绕过了这一限制。通过使用一种特殊的光并调整其模式以匹配材料的模式，科学家们可以将材料哄骗成新的构型，而不受材料自然属性的限制。

这种灵活性可以使这种方法适用于广泛的应用，从而更容易开发出新技术。从本质上讲，研究小组创造了电子以新的可控方式运动的条件。例如，这可能会导致量子计算机超快开关的开发，从而大大超越我们现在使用的计算机。

除了眼前的成果，这项研究还为未来在 "valleytronics "领域的应用带来了希望。"valleytronics "是一个利用驻留在材料不同能量谷的电子的量子特性进行信息处理的领域。传统方法需要与这些能谷相匹配的光，而新方法与之不同，适应性更强，为开发量子设备提供了新的方向。

研究人员操纵氢化硼中量子能谷的能力可能会带来新的设备，如超高速量子开关，它们不仅能在 0 和 1 的二进制上运行，还能在更复杂的量子信息环境中运行。这将使处理和存储信息的速度更快、效率更高。

合作者、LCLS 研发部主任Matthias F. Kling说："这不仅仅是开关的问题。这是在创造一种可以同时存在于多种状态的开关，极大地增强了我们设备的能力和潜力。它开辟了一种在量子水平上设计材料特性的全新方法。潜在的应用领域非常广泛，从量子计算到新形式的量子信息处理。”

这项研究还揭示了科学家与量子世界互动和控制量子世界的基本方式。对于参与其中的科学家来说，进入量子领域的旅程不仅仅是为了获得发现的快感，更是为了突破可能的极限。

Biswas说："最令人兴奋的一点是我们的发现所具有的巨大潜力。我们正处于技术新时代的风口浪尖，我们才刚刚开始探索利用量子材料的力量所能实现的一切。”

研究小组成员还包括来自加兴马克斯-普朗克量子光学研究所、德国慕尼黑路德维希-马克西米利大学和西班牙马德里材料科学研究所的研究人员。

相关链接：https://phys.org/news/2024-04-quantum-properties-2d-materials-tailored.html

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07244-z