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“鸡蛋纸盒”量子点阵列

日期:2021-04-21

美国密歇根大学,马里兰大学,中国厦门大学,国立成功大学的研究人员使用一种新型的半导体来创建排列成蛋盒状的量子点, 该系统可以实现用单光子光发送和接收信息, 有望成为超低能量的开关。相关论文发表在《Nature》上。

随着基于硅电子技术的信息技术越来越受热和能耗的限制,非线性光学作为一种潜在的解决方案正在受到广泛研究。量子蛋盒捕获并释放光子,在拥有额外能量的同时支持“激发”的量子态。当系统中的能量上升时,需要更大的能量跃迁才能达到下一个激发态,即非线性。研究人员想知道,是否可以在极低的功率水平下(甚至单个光子)维持可检测的非线性效应?这将达到信息处理中功耗的根本下限。

 

 

图1,(a)“鸡蛋纸盒”电子结构的示意图,其显示在两个镜子之间,以使红色激光产生共振。 陷在口袋中的极化子由它们各部分的总和表示:绿色的激子,内部显示有电子和空穴,并与红色的光波相连。 即使井中只有几个激子,添加新激子所需的能量也会开始跳跃。 图片来源:密歇根大学; (b) 激子分布的计算机模拟中,淡蓝色的点显示了激子如何被限制在蛋箱状能量景观的每个口袋中。 图片来源:马里兰大学。

 

由密歇根大学领导的国际研究人员小组发现了一条用单光子光发送和接收信息的新途径。他们的实验表明,可以利用一种称为非线性的效应来修改和检测极弱的光信号,并利用量子系统的显着变化来推进下一代计算。

这是一种新型的混合态,他们使用一种新型半导体制造出像鸡蛋盒一样排列的量子点,可以将光和物质联系起来。

量子点本质上是微小的结构,可以隔离和限制单个量子粒子,例如电子。这些点是蛋纸盒中的口袋, 在这种情况下,它们限制了激子,即由电子和“空穴”组成的准粒子。当半导体中的电子被踢到更高的能带时,会出现一个空穴,从而在其位置留下正电荷。如果空穴在其平行能带中遮蔽电子,则将两者视为单个实体,即激子。

在传统设备中-几乎没有非线性-激子自由地漫游并且彼此几乎不相遇。这些材料可以同时包含许多相同的激子,而研究人员没有注意到材料特性的任何变化。但是,如果激子被限制在量子点内,则不可能将第二个相同的激子放入相同的凹穴中。如果要在其中获得另一个激子,则需要一个能量更高的激子,这意味着需要一个能量更高的光子来制造它。这就是所谓的量子封锁,这是非线性的原因。但是典型的量子点只有几个原子跨过-它们不在可用的范围内。作为解决方案,团队创建了一个量子点阵列,这些量子点可同时促进非线性。

如图1所示, 这种 “蛋纸盒”能量景观由两片半导体薄片组成, 将其视为二维材料,因为它们是由单个分子层构成的,只有几个原子厚。一种薄片是二硫化钨,另一种薄片是二硒化钼。这两个相互交织的电子结构以原子晶格之间约56.5度的角度放置,形成了一个更大的电子晶格,其口袋约有10个原子。为了用光控制2D半导体内部的量子点阵列,该团队通过在底部制造一个反射镜,在其顶部放置半导体,然后在顶部沉积第二个反射镜来构建谐振器。论文的第一作者张龙说:“您需要非常严格地控制厚度,以使半导体处于光场的最大状态。”

研究人员将量子蛋盒嵌入镜像的“腔”中,使红色激光能够共振,从而观察到了另一种称为极化子的量子态的形成。极化子是激子和腔中光的混合体。这证实了所有量子点均与光相互作用。在这个系统中,展示了在盒子里放入一些激子会导致极化子能量发生可测量的变化——展示了非线性,并且表明发生了量子阻塞。

研究人员将可以利用这种非线性来辨别沉积到系统中的能量,可能低至单个光子的能量,这使得该系统有望成为超低能量的开关。除此之外, 极化子的控制旨在用于超低能计算和信息处理的未来集成光子学,这些集成光子学可用于视觉系统,自然语言处理或自主机器人的神经形态处理。

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