وبلاگ

شتاب دهنده سیستم های کوانتومی (QSA) تحقیقاتی پیشگام برای ساخت و طراحی مشترک نسل بعدی دستگاه های کوانتومی قابل برنامه ریزی است. یک تیم بین رشته ای از دانشمندان موسسات QSA، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی (UC Berkeley)، با همکاری آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، مجموعه ای از آزمایش ها را با نوع جدیدی از لایه های 2 بعدی انجام دادند. فلز، یافتن پیوندهایی در رفتار الکترونیک که به طور بالقوه می تواند برای ساخت پردازنده های کوانتومی ابررسانا پیچیده مفید باشد.

تحقیقات با این فلز انتقالی جدید دی‌کالکوژنید (TMD) از تیم‌های متخصص در آزمایشگاه برکلی استفاده می‌کند که با همکاری و طراحی مشترک در رشته‌ها و در عین حال از قابلیت‌ها و ابزارهای ملی پیشرفته در منبع نور پیشرفته و ریخته‌گری مولکولی استفاده می‌کنند. معاینه فیزیکی B نتایج آزمایشی را در دسامبر 2022 منتشر کرد.

آزمایش‌های جدید برای درک عمیق‌تر فیزیک مواد جدید

جستجو برای مواد دوبعدی ابررسانای جدید ممکن است سرنخ‌هایی برای بسیاری از چالش‌های تولید و مواد پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا که در حال حاضر از مواد معمولی مانند آلومینیوم، نیوبیم و سیلیکون استفاده می‌کنند، ارائه دهد.

TMD ها فلزات عجیب و غریبی هستند که به طور طبیعی می توانند در لایه های بسیار نازک با ساختار کریستالی کاملاً مشخص تولید شوند که به طور ایده آل برای آزمایش ها و دستگاه ها مناسب هستند. آنها خواص فیزیکی منحصر به فردی را از برهمکنش الکترون های خود نشان می دهند.

الکترون‌ها را می‌توان در چندین اتم که برهمکنش قوی‌تری با یکدیگر دارند، موضع‌گیری کرد. الکترون های بسته بندی شده و محکم در حال تعامل می توانند باعث تحریک شوند خواص منحصر به فرد و رفتارهایی مانند ابررسانایی و مغناطیس گردشگر. ابررسانایی اجازه حرکت بار الکتریکی را از طریق فلز با مقاومت کم یا بدون مقاومت می دهد. مغناطیس سیار زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها مغناطیس را از یک اتم به اتم دیگر منتقل کنند نه اینکه در یک موقعیت ثابت قرار گیرند.

یک کشف مهم در ادبیات علمی این است که مواد معمولاً یا ابررسانا یا آهنربا هستند، اما نه هر دو. با این حال، فاز مغناطیس سیار نزدیک به انتقال ابررسانایی است. بنابراین، کشف خواص مغناطیسی قوی در ساختار کریستالی TMD یک نقطه شروع عالی برای جستجوی ابررساناهای جدید است. اما میزان برهمکنش مغناطیس گردشگر و ابررسانایی در TMD ها به خوبی درک نشده است.

NiTa₄ببینید₈ یک کلاس نوظهور از TMD های درونی با الکترون های بسیار همبسته است که در صفحات دو بعدی با یک لایه فرومغناطیسی (نیکل) حرکت می کنند و برهمکنش یا همبستگی بین الکترون ها را قوی تر می کنند. محققان QSA که در یک سری آزمایش‌ها شرکت داشتند، ویژگی‌های رسانش الکترون – خواص انتقال – را در NiTa مشخص کردند.₄ببینید₈مشاهده هم مغناطیس گردشگر و هم ابررسانایی.

“من بسیار الهام‌بخش می‌بینم که قوانین فیزیکی اغلب با درک تقارن‌ها مرتبط هستند، بنابراین وقتی مواد جدیدی را مطالعه می‌کنم که تقارن‌های درونی منحصربه‌فردی دارند، خواه پیکربندی اتم‌های مختلف یا محیط محلی یا جهانی آنها باشد، می‌دانم که منجر به جیمز آنالیتیس، دانشیار دانشگاه کالیفرنیا برکلی و دانشمند دانشکده آزمایشگاه برکلی، رهبر آزمایشی این مقاله می گوید.

برای مطالعه خواص ابررسانایی و مغناطیس گردشگر، محققان نیاز به درک تقارن درونی این ماده داشتند. Analytis و تیم پیکربندی های مختلف تقارن را در NiTa سنتز کردند₄ببینید₈دستکاری سیستم اتم ها و الکترون ها در فلز کریستالی لایه ای از طریق روش ها و روش های شیمیایی مختلف.

مجموعه ای از آزمایش ها به محققان اجازه داد تا چگونگی رفتار الکترون ها در NiTa را مطالعه کنند₄ببینید₈ با ترتیب، دستکاری و کنترل در آزمایشگاه.

ابزار دقیق و تخصص در تاسیسات ملی DOE در آزمایشگاه برکلی

برای Sinead Griffin از دپارتمان علوم مواد و ریخته‌گری مولکولی، یکی از نویسندگان مقاله و رئیس گروه موضوعی تحقیقات مواد QSA، کشف ابررساناهای جدید اولویت اصلی نسل بعدی فناوری‌های کوانتومی ابررسانا است. گریفین مدل‌های نظری و محاسباتی را توسعه می‌دهد که خواص مواد را برای هدایت ساخت و تعیین خصوصیات در آزمایشگاه پیش‌بینی می‌کند.

“من انگیزه دارم نوع جدیدی از فیزیک یا سیستمی را پیدا کنم که هیچ کس قبلاً ندیده باشد، بنابراین داشتن این زمین بازی از امکانات و ابزار در آزمایشگاه برکلی در حالی که نزدیک به تیمی که آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌ها را انجام می‌دهند، کلیدی است. ” ما محدود به آنچه در دسترس است نیستیم. گریفین گفت: ما محدودتر از تصوراتمان هستیم.

این تیم از قابلیت‌های پیشرفته طیف‌سنجی فوتوالکترون آزمایشگاه برکلی در ALS بهره بردند، که از فوتون‌ها برای برهمکنش با الکترون‌ها برای توصیف سریع‌تر مواد و سطوح دو بعدی، از جمله طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای (ARPES) و طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDS) استفاده می‌کند. EDX) و همچنین پراش پرتو ایکس پودر برای شبیه سازی، توصیف و مطالعه ساختار بلوری پیچیده NiTa₄ببینید₈ در بهترین مقیاس

الی روتنبرگ، محقق ALS و محقق QSA، مجذوب مواد کوانتومی با خواص فیزیکی عجیب و غریب ناشی از برهمکنش الکترون‌های آنها شده است. روتنبرگ، متخصص در طیف‌سنجی فوتوالکترون، اندازه‌گیری‌های دقیقی از رفتار الکترون و سطح به اصطلاح فرمی، سطح انرژی مهم در فیزیک ماده متراکم برای ابررسانایی، با دقت فوق‌العاده‌ای انجام داد.

کریستال‌ها مانند یک لیوان آب هستند، تا نقطه‌ای پر و در بالا خالی هستند، جایی که الکترون‌های نزدیک سطح در رسانش الکتریکی شرکت می‌کنند. فیزیک جالب این مواد کریستالی در مرز بین حالت های اشغال شده و غیر اشغالی قرار دارد. روتنبرگ توضیح داد که ذرات می توانند از سمت اشغال شده به سمت غیر اشغال شده برانگیخته شوند تا امواج در حال حرکتی را تشکیل دهند که اطلاعات انرژی را منتقل می کنند.

طراحی مشترک اکتشافات اساسی را سرعت می بخشد

پیچیدگی مواد جدید مورد مطالعه برای ساخت دستگاه‌های کوانتومی بهتر و انواع اندازه‌گیری‌ها برای درک آن‌ها به ابزارها و ابزارهای پیشرفته نیاز دارد، جایی که هر تکنیک مختص سیستم است. هنگامی که مواد در دستگاه های کوانتومی ادغام می شوند، خواص مواد اغلب تغییر می کند یا نقص ظاهر می شود.

وقتی می‌پرسید چگونه می‌توانم این نوع جدیدی از پدیده‌ها را که هیچ کس دیگری پیدا نکرده است، یا این نتیجه را در این سیستم یا مواد پیدا کنم، تقریباً سؤال مخالفی می‌پرسید. گریفین گفت: با استفاده از تئوری، می توانم سعی کنم موادی را از اجزای اصلی اصلی طراحی کنم.

NiTa₄ببینید₈ احتمالاً در میان TMD های مغناطیسی منحصر به فرد نیست. بنابراین این تیم به این نتیجه رسیدند که جستجو برای مغناطیس گردشگر مرتبط و ابررسانایی غیر متعارف در مواد دو بعدی می‌تواند درک موادی را که به طور بالقوه می‌توانند برای تولید پردازنده‌های کوانتومی پیچیده‌تر استفاده شوند، اصلاح کند.

با این حال، محققان باید به درک بهتر سطوح اساسی این نوع مواد دو بعدی ادامه دهند. QSA همچنان به کشف راه‌حل‌هایی برای بسیاری از چالش‌های تولیدی ادامه می‌دهد که به پل زدن سیستم‌های سخت‌افزاری ناقص امروزی با آن‌هایی که قادر به علم تاثیرگذار هستند کمک می‌کند.

“داشتن یک تیم با چشم انداز منحصر به فرد، مانند QSA، که تمام ابزارهای موجود را در اختیار داشته باشد، روند را از علوم پایه به فناوری تسریع می کند.” شما اغلب باید کشف کنید که کدام تکنیک یا قابلیت های سنتز برای مواد مختلف مناسب تر است.