Een eigenaardige toestand van materie in lagen van halfgeleiders

Wetenschappers over de hele wereld ontwikkelen nieuwe hardware voor kwantumcomputers, een nieuw type apparaat dat het ontwerpen van medicijnen, financiële modellering en weersvoorspelling zou kunnen versnellen. Deze computers vertrouwen op qubits, stukjes materie die tegelijkertijd een combinatie van 1 en 0 kunnen vertegenwoordigen. Het probleem is dat qubits wispelturig zijn en degraderen tot gewone bits wanneer interacties met omringende materie interfereren. Maar nieuw onderzoek aan het MIT suggereert een manier om hun toestand te beschermen, met behulp van een fenomeen dat veellichaamslokalisatie (MBL) wordt genoemd.

MBL is een eigenaardige fase van materie, decennia geleden voorgesteld, die anders is dan vast of vloeibaar. Doorgaans komt materie tot thermisch evenwicht met zijn omgeving. Daarom koelt soep af en smelten ijsblokjes. Maar in MBL bereikt een object dat bestaat uit veel sterk op elkaar inwerkende lichamen, zoals atomen, nooit zo’n evenwicht. Warmte bestaat, net als geluid, uit collectieve atomaire trillingen en kan zich in golven voortplanten; een object heeft altijd zulke hittegolven intern. Maar als er genoeg wanorde is en genoeg interactie in de manier waarop de atomen zijn gerangschikt, kunnen de golven vast komen te zitten, waardoor het object geen evenwicht kan bereiken.

MBL was aangetoond in “optische roosters”, arrangementen van atomen bij zeer lage temperaturen die op hun plaats werden gehouden met behulp van lasers. Maar dergelijke opstellingen zijn onpraktisch. MBL was aantoonbaar ook aangetoond in vaste systemen, maar alleen met een zeer langzame temporele dynamiek, waarin het bestaan ​​van de fase moeilijk te bewijzen is omdat er een evenwicht zou kunnen worden bereikt als onderzoekers lang genoeg konden wachten. Het MIT-onderzoek vond een handtekening van MBL in een “solid-state” systeem – een systeem gemaakt van halfgeleiders – dat anders in evenwicht zou zijn gekomen in de tijd dat het werd bekeken.

“Het zou een nieuw hoofdstuk kunnen openen in de studie van kwantumdynamica”, zegt Rahul Nandkishore, een natuurkundige aan de Universiteit van Colorado in Boulder, die niet bij het werk betrokken was.

Mingda Li, de Norman C Rasmussen-assistent-professor Nuclear Science and Engineering aan het MIT, leidde de nieuwe studie, gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters. De onderzoekers bouwden een systeem met afwisselende halfgeleiderlagen en creëerden een microscopisch kleine lasagne – aluminiumarsenide, gevolgd door galliumarsenide, enzovoort, voor 600 lagen van elk 3 nanometer (miljoensten van een millimeter) dik. Tussen de lagen verspreidden ze “nanodots”, 2-nanometerdeeltjes van erbiumarsenide, om wanorde te creëren. De lasagne, of “superrooster”, kwam in drie recepten: een zonder nanodots, een waarin nanodots 8 procent van het oppervlak van elke laag bedekten en een waarin ze 25 procent bedekten.

Volgens Li gebruikte het team lagen materiaal, in plaats van een bulkmateriaal, om het systeem te vereenvoudigen, zodat de warmteafvoer over de vlakken in wezen eendimensionaal was. En ze gebruikten nanodots, in plaats van louter chemische onzuiverheden, om de stoornis op te krikken.

Om te meten of deze verstoorde systemen nog in evenwicht zijn, hebben de onderzoekers ze gemeten met röntgenstralen. Met behulp van de Advanced Photon Source in het Argonne National Lab schoten ze stralingsbundels af met een energie van meer dan 20.000 elektronvolt, en om het energieverschil tussen de binnenkomende röntgenstraling en na de reflectie ervan op het oppervlak van het monster op te lossen, met een energieresolutie minder dan een duizendste van een elektronvolt. Om te voorkomen dat ze het superrooster binnendringen en het onderliggende substraat raken, schoten ze het onder een hoek van slechts een halve graad parallel.

Net zoals licht kan worden gemeten als golven of deeltjes, kan ook warmte worden gemeten. De collectieve atomaire trilling voor warmte in de vorm van een warmtedragende eenheid wordt een fonon genoemd. Röntgenstralen interageren met deze fononen en door te meten hoe röntgenstralen weerkaatsen op het monster, kunnen de onderzoekers bepalen of het in evenwicht is.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer het superrooster koud was – 30 kelvin, ongeveer -400 graden Fahrenheit – en het nanodots bevatte, de fononen op bepaalde frequenties niet in evenwicht waren.

Er is nog meer werk om afdoende te bewijzen dat MBL is bereikt, maar “deze nieuwe kwantumfase kan een heel nieuw platform openen om kwantumfenomenen te onderzoeken”, zegt Li, “met veel potentiële toepassingen, van thermische opslag tot kwantumcomputing.”

Om qubits te maken, gebruiken sommige kwantumcomputers stofdeeltjes die kwantumdots worden genoemd. Li zegt dat kwantumdots vergelijkbaar met Li’s nanodots als qubits kunnen werken. Magneten zouden hun kwantumtoestanden kunnen lezen of schrijven, terwijl de lokalisatie van veel lichamen ze geïsoleerd zou houden van hitte en andere omgevingsfactoren.

In termen van thermische opslag kan zo’n superrooster in en uit een MBL-fase schakelen door de nanodots magnetisch te regelen. Het kan computeronderdelen op een bepaald moment isoleren van warmte en vervolgens onderdelen toestaan ​​​​warmte te verspreiden wanneer het geen schade aanricht. Of het kan ervoor zorgen dat er warmte wordt opgebouwd en later wordt gebruikt voor het opwekken van elektriciteit.

Handig is dat superroosters met nanodots kunnen worden geconstrueerd met behulp van traditionele technieken voor het vervaardigen van halfgeleiders, naast andere elementen van computerchips. Volgens Li: “Het is een veel grotere ontwerpruimte dan bij chemische doping, en er zijn talloze toepassingen.”