光波控制谷值選擇性帶隙修正

一個科學(xué)家團隊開發(fā)出了一種利用光的結(jié)構(gòu)來扭曲和調(diào)整量子材料特性的方法。他們的研究成果發(fā)表在今天的《自然》(Nature)雜志上，為下一代量子電子學(xué)、量子計算和信息技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。

由美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將這種方法應(yīng)用于一種名為六方氮化硼(hBN)的材料，這種材料由單層原子以蜂窩狀排列而成，其特性使其非常適合量子操縱。在實驗中，科學(xué)家們利用一種電場看起來像三葉草的特殊光線，以超快的時間尺度在量子水平上改變和控制材料的行為。

光波的扭曲方式還能讓研究人員精確控制材料的量子特性--決定電子行為的規(guī)則，而電子對電力和數(shù)據(jù)流至關(guān)重要。這種按需控制量子特性的能力可以為未來技術(shù)創(chuàng)造超快量子開關(guān)鋪平道路。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的SLAC和斯坦福大學(xué)科學(xué)家Shubhadeep Biswas說：“我們的工作就像是找到了一種與量子世界竊竊私語的新方法，讓它向我們揭示自己的秘密。”

傳統(tǒng)技術(shù)通常要求光具有恰到好處的能量才能與材料發(fā)生作用，而這種新方法巧妙地繞過了這一限制。通過使用一種特殊的光并調(diào)整其模式以匹配材料的模式，科學(xué)家們可以將材料哄騙成新的構(gòu)型，而不受材料自然屬性的限制。

這種靈活性可以使這種方法適用于廣泛的應(yīng)用，從而更容易開發(fā)出新技術(shù)。從本質(zhì)上講，研究小組創(chuàng)造了電子以新的可控方式運動的條件。例如，這可能會導(dǎo)致量子計算機超快開關(guān)的開發(fā)，從而大大超越我們現(xiàn)在使用的計算機。

除了眼前的成果，這項研究還為未來在 "valleytronics "領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了希望。"valleytronics "是一個利用駐留在材料不同能量谷的電子的量子特性進行信息處理的領(lǐng)域。傳統(tǒng)方法需要與這些能谷相匹配的光，而新方法與之不同，適應(yīng)性更強，為開發(fā)量子設(shè)備提供了新的方向。

研究人員操縱氫化硼中量子能谷的能力可能會帶來新的設(shè)備，如超高速量子開關(guān)，它們不僅能在 0 和 1 的二進制上運行，還能在更復(fù)雜的量子信息環(huán)境中運行。這將使處理和存儲信息的速度更快、效率更高。

合作者、LCLS 研發(fā)部主任Matthias F. Kling說："這不僅僅是開關(guān)的問題。這是在創(chuàng)造一種可以同時存在于多種狀態(tài)的開關(guān)，極大地增強了我們設(shè)備的能力和潛力。它開辟了一種在量子水平上設(shè)計材料特性的全新方法。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從量子計算到新形式的量子信息處理?！?/p>

這項研究還揭示了科學(xué)家與量子世界互動和控制量子世界的基本方式。對于參與其中的科學(xué)家來說，進入量子領(lǐng)域的旅程不僅僅是為了獲得發(fā)現(xiàn)的快感，更是為了突破可能的極限。

Biswas說："最令人興奮的一點是我們的發(fā)現(xiàn)所具有的巨大潛力。我們正處于技術(shù)新時代的風(fēng)口浪尖，我們才剛剛開始探索利用量子材料的力量所能實現(xiàn)的一切?！?/p>

研究小組成員還包括來自加興馬克斯-普朗克量子光學(xué)研究所、德國慕尼黑路德維希-馬克西米利大學(xué)和西班牙馬德里材料科學(xué)研究所的研究人員。

審核編輯 黃宇