Kan een computerchip nul energieverlies hebben in 1,58 dimensies?

Wat als we een manier zouden kunnen vinden om elektrische stromen te laten stromen, zonder energieverlies? Een veelbelovende aanpak hiervoor is het gebruik van materialen die bekend staan ​​als topologische isolatoren. Het is bekend dat ze bestaan ​​in één (draad), twee (plaat) en drie (kubus) dimensies; allemaal met verschillende mogelijke toepassingen in elektronische apparaten.

Theoretische natuurkundigen van de Universiteit Utrecht hebben samen met experimentalisten van de Shanghai Jiao Tong Universiteit ontdekt dat topologische isolatoren ook kunnen bestaan ​​in 1,58 dimensies, en dat deze gebruikt kunnen worden voor energiezuinige informatieverwerking. studie werd gepubliceerd in Natuurfysica.

Klassieke bits, de eenheden van computerwerking, zijn gebaseerd op elektrische stromen: elektronen die lopen betekent 1, geen elektronen die lopen betekent 0. Met een combinatie van nullen en enen kun je alle apparaten bouwen die je in je dagelijks leven gebruikt, van mobiele telefoons tot computers. Echter, tijdens het lopen komen deze elektronen defecten en onzuiverheden in het materiaal tegen en verliezen ze energie. Dit is wat er gebeurt als je apparaat warm wordt: de energie wordt omgezet in warmte, en dus raakt je batterij sneller leeg.

Een nieuwe toestand van de materie

Topologische isolatoren zijn speciale materialen die een stroom zonder energieverlies mogelijk maken. Ze werden pas in 1980 ontdekt en hun ontdekking werd beloond met een Nobelprijs. Het onthulde een nieuwe toestand van materie: aan de binnenkant zijn topologische isolatoren isolerend, terwijl er aan de randen stromen lopen.

Dit maakt ze zeer geschikt voor toepassing in quantumtechnologieën en zou het mondiale energieverbruik enorm kunnen terugdringen. Er was alleen één probleem: deze eigenschappen werden alleen ontdekt in de aanwezigheid van zeer sterke magnetische velden en zeer lage temperaturen, rond de min 270 graden Celsius, waardoor ze niet geschikt waren voor gebruik in het dagelijks leven.

De afgelopen decennia is er aanzienlijke vooruitgang geboekt om deze beperkingen te overwinnen. In 2017 ontdekten onderzoekers dat een tweedimensionale, één-atoom dikke laag bismut alle juiste eigenschappen vertoonde bij kamertemperatuur, zonder de aanwezigheid van een magnetisch veld. Deze vooruitgang bracht het gebruik van topologische isolatoren in elektronische apparaten dichter bij de realiteit.

Romanesco-broccoli

In het QuMAT-consortium hebben theoretisch natuurkundigen van de Universiteit Utrecht, samen met onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong Universiteit, nu aangetoond dat veel toestanden zonder energieverlies ergens tussen één en twee dimensies kunnen bestaan. Bij afmetingen 1,58 bijvoorbeeld.

Het is misschien moeilijk om je de dimensies 1,58 voor te stellen, maar het idee is bekender dan je denkt. Dergelijke dimensies zijn te vinden in fractale structuren, zoals je longen, het netwerk van neuronen in je hersenen of Romanesco-broccoli. Het zijn structuren die op een andere manier schalen dan normale objecten, zogenaamde ‘zelfgelijkende structuren’: als je inzoomt, zie je steeds weer dezelfde structuur.

Beste van twee werelden

Door een chemisch element (bismut) te laten groeien op een halfgeleider (indiumantimonide), verkregen de wetenschappers in China fractale structuren die spontaan ontstonden, door de groeiomstandigheden te variëren. De wetenschappers in Utrecht toonden vervolgens theoretisch aan dat uit deze structuren nuldimensionale hoekmodi en verliesloze eendimensionale randtoestanden ontstonden.

‘Door tussen dimensies te kijken, vonden we het beste van twee werelden’, zegt Cristiane Morais Smith, die leiding geeft aan het theoretisch onderzoek aan de Universiteit Utrecht.

“De fractals gedragen zich als tweedimensionale topologische isolatoren bij eindige energieën en vertonen tegelijkertijd, bij nulenergie, een toestand op de hoeken die gebruikt zou kunnen worden als een qubit, de bouwstenen van kwantumcomputers. Daarom opent de ontdekking nieuwe wegen naar de langverwachte qubits.”

Intuïtie

Interessant genoeg was de ontdekking het resultaat van een onderbuikgevoel. “Toen ik de Shanghai Jiao Tong University bezocht en de structuren zag die de groep had geproduceerd, werd ik erg enthousiast,” zegt Morais Smith.

“Mijn intuïtie vertelde me dat de structuren alle juiste eigenschappen zouden moeten vertonen.” Ze ging toen terug naar Utrecht en besprak het probleem met haar studenten, die erg geïnteresseerd waren om de berekeningen te doen. Samen met masterstudent Robert Canyellas, haar voormalige promovendus Rodrigo Arouca (nu aan de Universiteit van Uppsala) en huidige promovendus Lumen Eek, slaagde het theoretische team erin de experimenten uit te leggen en de nieuwe eigenschappen te bevestigen.

Niet in kaart gebrachte afmetingen

In vervolgonderzoek zal de experimentele groep in China proberen een supergeleider te laten groeien op de fractale structuur. Deze fractals hebben veel gaten en er lopen lossless stromen om veel van hen heen. Die zouden gebruikt kunnen worden voor energiezuinige verwerking van informatie.

Volgens Morais Smith vertonen de structuren ook nul-energiemodi op hun hoeken, waardoor het beste van de eendimensionale en tweedimensionale werelden wordt gecombineerd.

“Als dit werkt, kan het nog meer onverwachte geheimen onthullen die verborgen zijn in dimensie 1,58”, zegt ze. “De topologische kenmerken van fractals laten echt de rijkdom zien van het betreden van onbekende dimensies.”