Bilim insanlarına özel bir malzeme olan krom sülfür bromür kullanarak kuantum bilgisini kontrol etmenin yeni bir yolunu buldular.
Bu madde verileri çeşitli şekillerde depolayabilir ve işleyebilir, ancak manyetik özellikleri oyunun kurallarını değiştiren asıl unsurdur. Manyetizasyonunu ayarlayarak, araştırmacılar eksitonları (bilgi taşıyan kuantum parçacıkları) hapsedilebilir ve daha uzun ömürlü kuantum durumlarına ve verileri işlemek için yeni yollara izin verebilir.
Kuantum “Mucize Malzeme” Manyetik Anahtarlama Mümkün Kılıyor
Bu keşif kuantum hesaplama, algılama ve diğer teknolojilerde ilerlemelere yol açabilir. Önceki çalışmalar, eksiton adı verilen kuantum parçacıklarının bazen krom kükürt bromür malzemesi içinde tek bir çizgiyle sınırlandırılabildiğini ortaya koymuştu. Yeni araştırma, bu sınırlama malzemesinin manyetik özelliklerine bağlayan hem teorik hem de deneysel kanıtlar sunuyor.
UM elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü Mackillo Kira,“Uzun vadeli vizyon, potansiyel olarak bu özelliklerin üçünü veya hatta dördünü de kullanan kuantum makineleri veya cihazları inşa edebilirsiniz: bilgi aktarımı için fotonlar, etkileşimleri yoluyla bilgi işlemek için, elektronlar, bilgi depolamak için manyetizma ve bilgiyi yeni frekanslara modüle etmek ve iletmek için fononlar” dedi.
Kuantum Kodlama için Eksitonlardan Yararlanma
Bir eksiton, bir elektron yarı iletkendeki “zemin” enerji durumundan daha yüksek bir enerji durumuna taşındığında ve geride bir “delik” bıraktığında oluşur. Elektron ve delik birlikte eşleşir ve bu kolektif durum bir eksitondur.
Eksitonlar, krom kükürt bromürün alışılmadık manyetik özellikleri sayesinde tek katmanlar halinde hapsedilir. . Malzeme, moleküler yufka böreği gibi sadece birkaç atom kalınlığında katmanlardan oluşuyor. Katmanlar 132 Kelvin’in altındaki düşük sıcaklıklarda mıknatıslanır, elektronların spinleri birbiriyle hizalanır. Manyetik alanın yönü bir katmandan diğerine ters yönde değişir. Bu antiferromanyetik bir yapıdır.
132 Kelvin’in üzerinde malzeme mıknatıslanmaz, ısı elektron spinlerinin hizalı kalmasını engeller, bu nedenle rastgele yönlere işaret ederler. Mıknatıslanmamış durumda, eksitonlar hapsolmaz, ancak birden fazla atomik katmana yayılarak onları üç boyutlu hale getirir. Ayrıca herhangi bir yönde hareket edebilirler.
Eksitonların İnce Yapısı
Huber liderliğindeki deney ekibi, saniyenin sadece 20 katrilyonda biri uzunluğunda kızılötesi ışık darbeleriyle vurarak bir krom sülfür bromür örneği içinde eksitonlar üretti. Ardından, eksitonları biraz daha yüksek enerji durumlarına itmek için daha az enerjili darbelere sahip başka bir kızılötesi lazer kullandılar.
Bu şekilde, normalde aynı enerjilere sahip olmaları gerekirken, şaşırtıcı derecede farklı enerjilere sahip iki eksiton varyasyonu olduğunu keşfettiler. Bir enerji durumunun bu şekilde bölünmesi ince yapı olarak bilinir.
Ekip ayrıca, eksitonların iç yapılarını araştırmak için malzeme içindeki iki farklı eksen boyunca bu daha az enerjili darbeleri vurarak malzemenin uzayda nasıl değiştiğini araştırdı. Bu yaklaşım, bir çizgiyle sınırlanabilen ya da üç boyutta genişleyebilen, yöne son derece bağımlı eksitonları ortaya çıkardı.
Kuantum Bilgi İşleme için Yeni Bir Yol
“Elektronik, fotonik ve spin serbestlik dereceleri güçlü bir şekilde iç içe geçtiğinden, mıknatıslanmış ve mıknatıslanmamış bir durum arasında geçiş yapmak, foton ve spin tabanlı kuantum bilgisini dönüştürmek için son derece hızlı bir yol olarak hizmet edebilir,” diyor Marlene Liebich ile birlikte ilk yazar olan Matthias Florian.
Hesaplamalar, manyetik olarak düzenlenmiş malzemedeki olağanüstü büyük ince yapı bölünmesini ve malzeme manyetik düzene girip çıktığında iki eksiton durumu arasındaki geçişleri sistematik olarak tahmin etmek için malzemenin yapısını kullandı. Ayrıca, tek boyutlu eksitonlardan üç boyutlu eksitonlara geçişin, daha büyük ve daha hareketli eksitonların çarpışmak için daha fazla fırsata sahip olması nedeniyle, eksitonların çarpışmadan ne kadar süre gidebileceği konusunda gözlemlenen önemli değişiklikleri açıkladığını doğruladılar.
Gelecek Araştırmaları: Yükü Spine Dönüştürmek
Ekibin peşine düşmeyi planladığı en büyük sorulardan biri, yük ayrımında somutlaşan bu eksitonların elektron spinlerinde somutlaşan manyetik uyarımlara dönüştürülüp dönüştürülemeyeceğidir. Eğer bu mümkünse, fotonların, eksitonların ve spinlerin çok farklı dünyaları arasında kuantum bilgisini dönüştürmek için yararlı bir yol sağlayacaktır.
Haberin Kaynağı: scitechdaily.com/physicists-discover-a-magnetic-breakthrough-that-could-supercharge-quantum-tech/
Haberi Derleyen: Elif Gül Türkmen / Eskisehir Teknik Üniversitesi / Yüksek Lisans Öğrencisi