Ένα βήμα που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά το μέλλον της πληροφορικής και των κβαντικών τεχνολογιών πραγματοποίησαν ερευνητές από το Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) στην Ιαπωνία. Για πρώτη φορά κατάφεραν να παρακολουθήσουν άμεσα τη συμπεριφορά των λεγόμενων «σκοτεινών εξιτονίων», εξαιρετικά δυσεύρετων κβαντικών σωματιδίων που θεωρούνται η «Σκοτεινή Ύλη» της ηλεκτρονικής.
Τα αόρατα σωματίδια που μπορούν να φέρουν επανάσταση
Τα «σκοτεινά εξιτόνια» είναι ένα είδος κβαντικών σωματιδίων που σχηματίζονται μέσα σε υπερλεπτά υλικά, με πάχος μόλις ενός ατόμου. Σε αντίθεση με τα πιο γνωστά φωτεινά εξιτόνια, τα οποία αλληλεπιδρούν με το φως και είναι εύκολα ανιχνεύσιμα, τα σκοτεινά εξιτόνια παραμένουν «αόρατα», διότι δεν εκπέμπουν φως και έτσι είναι εξαιρετικά δύσκολο να παρατηρηθούν. Ωστόσο, αυτή ακριβώς η ιδιότητά τους, η ελάχιστη αλληλεπίδραση με το περιβάλλον, τα καθιστά πολύ πιο σταθερά και ανθεκτικά στη φθορά, χαρακτηριστικά ιδανικά για μελλοντικά κβαντικά υπολογιστικά συστήματα.
Όπως εξηγεί ο καθηγητής Keshav Dani, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο OIST, η σημασία του ευρήματος είναι τεράστια:
Τα σκοτεινά εξιτόνια έχουν εξαιρετικό δυναμικό ως φορείς πληροφορίας, επειδή η «σκοτεινή» φύση τους τα προστατεύει από την απώλεια των κβαντικών ιδιοτήτων τους. Το δύσκολο ήταν πάντα να τα δούμε και να τα ελέγξουμε. Τώρα αυτό γίνεται εφικτό.
Από τα ηλεκτρόνια στις κοιλάδες των κβαντικών υλικών
Στον κλασικό κόσμο της ηλεκτρονικής, η πληροφορία μεταφέρεται μέσω του φορτίου των ηλεκτρονίων. Στην πιο προχωρημένη «spintronics», χρησιμοποιείται το spin των ηλεκτρονίων, ενώ στη νέα επιστήμη της “valleytronics” η πληροφορία κωδικοποιείται στις «κοιλάδες» του κρυσταλλικού πλέγματος των υλικών, δηλαδή στα ελάχιστα ενεργειακά επίπεδα όπου μπορούν να βρεθούν τα ηλεκτρόνια. Τα σκοτεινά εξιτόνια μπορούν να εκμεταλλευτούν αυτήν την επιπλέον διάσταση, λειτουργώντας ως ανθεκτικοί φορείς κβαντικής πληροφορίας.
Σύμφωνα με τον Xing Zhu, συν-συγγραφέα της μελέτης, η αξιοποίηση αυτών των σωματιδίων ανοίγει νέους δρόμους για πιο αποδοτικούς κβαντικούς υπολογιστές:
Σε σχέση με τα σημερινά qubits, τα σκοτεινά εξιτόνια είναι λιγότερο ευάλωτα σε θερμικά και περιβαλλοντικά φαινόμενα, κάτι που σημαίνει ότι θα μπορούσαν να λειτουργούν σε πιο ήπιες συνθήκες και με μικρότερη πιθανότητα απώλειας δεδομένων.
Η «φωτεινή» και η «σκοτεινή» πλευρά των εξιτονίων
Τα τελευταία χρόνια, τα ημιαγώγιμα υλικά που αποτελούνται από μόλις ένα ή λίγα ατομικά στρώματα —γνωστά ως TMDs (transition metal dichalcogenides)— έχουν συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Όταν αυτά τα υλικά φωτίζονται, τα ηλεκτρόνια διεγείρονται και αφήνουν πίσω τους θετικά «κενά», τις λεγόμενες οπές. Ο δεσμός μεταξύ ενός ηλεκτρονίου και μιας οπής δημιουργεί ένα εξιτόνιο.
Αν οι κβαντικές ιδιότητες των δύο ταιριάζουν, τότε δημιουργείται ένα φωτεινό εξιτόνιο που εκπέμπει φως. Όταν όμως δεν ταιριάζουν, το ζεύγος δεν μπορεί να επανενωθεί και παραμένει «σκοτεινό». Ο Dr. David Bacon, μέλος της ερευνητικής ομάδας και πλέον στο University College London, εξηγεί:
Υπάρχουν δύο είδη σκοτεινών εξιτονίων: τα momentum-dark και τα spin-dark, ανάλογα με το πού εντοπίζεται η ασυμφωνία. Αυτά τα σωματίδια ζουν πολύ περισσότερο και παραμένουν απομονωμένα από εξωτερικές παρεμβολές.
Ο χάρτης των “σκοτεινών εξιτονίων” σε ατομική κλίμακα
Για να μελετήσουν τα σωματίδια αυτά, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το TR-ARPES, ένα από τα πιο προηγμένα συστήματα φασματοσκοπίας παγκοσμίως. Με αυτή την τεχνολογία, που διαθέτει μια μοναδική πηγή ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας (XUV), η ομάδα κατάφερε να παρακολουθήσει, σε κλίμακα femtosecond (ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου), τη μετάβαση από τα φωτεινά στα σκοτεινά εξιτόνια.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μέσα σε ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, κάποια φωτεινά εξιτόνια μετατρέπονται σε momentum-dark λόγω δονήσεων του κρυστάλλου, ενώ στη συνέχεια επικρατούν τα spin-dark, τα οποία μπορούν να διατηρήσουν τις ιδιότητές τους για αρκετά νανοδευτερόλεπτα — διάστημα πολύτιμο για την αποθήκευση και μεταφορά πληροφορίας.
Μια νέα εποχή για την κβαντική πληροφορική
Η εργασία των ερευνητών του OIST δεν αποτελεί απλώς μια τεχνική επιτυχία, αλλά σηματοδοτεί τη γέννηση μιας νέας επιστημονικής περιοχής, της “dark valleytronics”. Με τη δυνατότητα να χαρτογραφήσουν ποια σκοτεινά εξιτόνια μπορούν να διατηρήσουν την πληροφορία στις κοιλάδες των υλικών, οι επιστήμονες ανοίγουν τον δρόμο για τεχνολογίες που συνδυάζουν σταθερότητα, αποδοτικότητα και ενεργειακή οικονομία.
Όπως επισημαίνει ο Dr. Julien Madéo, μέλος της ερευνητικής ομάδας:
Για πρώτη φορά μπορέσαμε να παρατηρήσουμε πώς τα σκοτεινά εξιτόνια διατηρούν πληροφορία στον χρόνο. Αν καταφέρουμε να διαβάσουμε αυτές τις ιδιότητες, τότε θα έχουμε στα χέρια μας μια εντελώς νέα πλατφόρμα για επεξεργασία δεδομένων και επικοινωνία.
[via]
