Físicos da Rice University descobriram um material quântico que pode alternar entre duas fases eletrônicas, abrindo caminho para tecnologias avançadas de memória quântica capazes de armazenar qubits de maneira confiável. Crédito: SciTechDaily.com
A descoberta do arroz pode acelerar o desenvolvimento da memória quântica não volátil.
Físicos da Rice University descobriram um material quântico de mudança de fase – e um método para encontrar mais parecido – que poderia ser usado para criar uma memória semelhante a flash, capaz de armazenar bits quânticos de informação, ou qubits, mesmo quando um computador quântico estiver ligado. abaixo.
Materiais de mudança de fase e memória digital
Materiais de mudança de fase têm sido usados em memórias digitais não voláteis disponíveis comercialmente. Em DVDs regraváveis, por exemplo, um laser é usado para aquecer pequenos pedaços de material que esfriam para formar cristais ou aglomerados amorfos. Duas fases do material, que possuem propriedades ópticas muito diferentes, são usadas para armazenar os uns e os zeros dos bits digitais de informação.
Em um estudo de acesso aberto publicado recentemente em Comunicações da Natureza, o físico Ming Yi, do Rice, e mais de três dezenas de coautores de uma dúzia de instituições mostraram de forma semelhante que poderiam usar o calor para alternar um cristal de ferro, germânio e telúrio entre duas fases eletrônicas. Em cada um deles, o movimento restrito dos elétrons produz estados quânticos topologicamente protegidos. Em última análise, o armazenamento de qubits em estados topologicamente protegidos poderia reduzir potencialmente os erros relacionados à decoerência que têm atormentado Computação quântica.
O físico experimental Han Wu (à esquerda) da Rice University e o físico teórico Lei Chen fizeram parceria com colegas de mais de uma dúzia de instituições de pesquisa na descoberta de um material quântico de mudança de fase que poderia ser potencialmente usado para criar memória não volátil capaz de armazenar bits quânticos de informação , ou qubits. Wu e Chen são os principais autores de um estudo revisado por pares na Nature Communications sobre a pesquisa. Crédito: Gustavo Raskosky/Rice University
Descoberta e experimentação surpreendentes
“Isso foi uma surpresa total”, disse Yi sobre a descoberta. “Inicialmente nos interessamos por esse material por causa de suas propriedades magnéticas. Mas então realizaríamos uma medição e veríamos esta fase, e então para outra medição veríamos a outra. Nominalmente era o mesmo material, mas os resultados foram muito diferentes.”
Foram necessários mais de dois anos e trabalho colaborativo com dezenas de colegas para decifrar o que estava acontecendo nos experimentos. Os pesquisadores descobriram que algumas das amostras de cristal esfriaram mais rápido do que outras quando foram aquecidas antes dos experimentos.
Ao contrário dos materiais usados na maioria das tecnologias de memória de mudança de fase, Yi e colegas descobriram o ferro-germânio-telúrio Liga não precisou ser derretido e recristalizado para mudar de fase. Em vez disso, eles descobriram que os locais atômicos vazios na rede do cristal, conhecidos como vagas, estavam organizados em padrões ordenados de forma diferente, dependendo da rapidez com que o cristal esfriava. Para mudar de uma fase padronizada para outra, eles mostraram que poderiam simplesmente reaquecer o cristal e resfriá-lo por um período de tempo mais longo ou mais curto.
Implicações teóricas e direções futuras
“Se você quiser alterar a ordem das vagas em um material, isso normalmente acontece em temperaturas muito mais baixas do que as necessárias para derreter tudo”, disse Yi.
Ela disse que poucos estudos exploraram como as propriedades topológicas dos materiais quânticos mudam em resposta a mudanças na ordem das vagas.
“Essa é a principal conclusão”, disse ela sobre a ordem alternável de vagas do material. “A ideia de usar a ordem de vagas para controlar a topologia é o importante. Isso simplesmente não foi realmente explorado. As pessoas geralmente olham para os materiais apenas de uma perspectiva totalmente estequiométrica, o que significa que tudo está ocupado com um conjunto fixo de simetrias que levam a um tipo de topologia eletrônica. Mudanças na ordem das vagas alteram a simetria da rede. Este trabalho mostra como isso pode mudar a topologia eletrônica. E parece provável que a ordem das vagas também possa ser usada para induzir mudanças topológicas em outros materiais.”
O físico teórico de Rice, Qimiao Si, coautor do estudo, disse: “Acho incrível que meus colegas experimentalistas possam organizar uma mudança na simetria cristalina em tempo real. Ele permite uma capacidade de comutação completamente inesperada e ainda assim totalmente acolhedora para a teoria, bem como procuramos projetar e controlar novas formas de topologia através da cooperação de correlações fortes e simetria de grupo espacial.”
Referência: “Comutação eletrônica não volátil reversível em um ferromagnet van der Waals de temperatura próxima à sala” por Han Wu, Lei Chen, Paul Malinowski, Bo Gyu Jang, Qinwen Deng, Kirsty Scott, Jianwei Huang, Jacob PC Ruff, Yu He , Xiang Chen, Chaowei Hu, Ziqin Yue, Ji Seop Oh, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Yue Shi, Chandan Setty, Tyler Werner, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Sung-Kwan Mo, Alexei Fedorov, Jonathan D. Denlinger, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han, Xiaodong Xu, Robert J. Birgeneau, Jian-Xin Zhu, Eduardo H. da Silva Neto, Liang Wu, Jiun- Haw Chu, Qimiao Si e Ming Yi, 28 de março de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-46862-z
Os principais autores do estudo são Han Wu e Lei Chen, ambos co-autores do Rice Adicional, incluindo Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai. , Yimo Han e Si Yi, Dai, Han, Kono e Si são membros da Rice Quantum Initiative e do Rice Center for Quantum Materials.
O estudo foi coautor de pesquisadores do universidade de WashingtonLaboratório Nacional de Los Alamos, Universidade Kyung Hee da Coreia do Sul, Universidade da Pensilvânia, Universidade de Yalea Universidade da Califórnia Davis, a Universidade Cornell, a Universidade da Califórnia Berkeley, o Laboratório Nacional de Aceleradores do Stanford Linear Accelerator Center, o Laboratório Nacional de Brookhaven e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Instalações de Usuários Científicos do Departamento de Energia (DOE) (DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-76SF00515, DE-SC0012704), pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE (DE-SC0021421, DE-SC0018197 , DE-SC0019443, DE-AC02-05-CH11231, DE-AC02-76SF00515), Iniciativa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore (GBMF9470), Fundação Robert A. Welch (C-2175, C-1411, C-1839 , C-2065-20210327), o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0356, FA9550-22-1-0449, FA9550-22-1-0410), uma bolsa do corpo docente Vannevar Bush gerenciada pelo Escritório de Pesquisa Naval em nome do Escritório de Pesquisa Básica do Departamento de Defesa (ONR-VB N00014-23-1-2870), da Administração Nacional de Segurança Nuclear do DOE (89233218CNA000001), do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório do DOE (FR-20-653926 ), o Army Research Office (W911NF-19-1-0342), a National Science Foundation (2213891, 1829070, 2100741, 2034345), o Sloan Research Fellows Program da Alfred P. Sloan Foundation e o Rice’s Electron Microscopy Center.
