世界上最薄半導體晶體中光線傳播研究取得進展！

背景

在隱藏於筆記本電腦或者智能手機中的每個現代微型電路中，你都會看到晶體管。晶體管是一種小型半導體器件，它控制電流流動，即電子的流動。

如果用光子（光的基本粒子）取代電子，那麼科學家們將有望創造出新型計算系統，這種系統將能夠處理以接近光速流動的大量信息。

目前，在量子計算機中，光子被認為是傳遞信息的最佳方案。然而，這些仍然只是假想計算機。它們按照量子世界的規律運作，並且能比大多數最強大的超級計算機更加高效地解決某些問題。

下圖中，左圖：晶元上的頻率梳，可產生可擴展的複雜量子糾纏狀態。右上圖：多光子糾纏的量子頻率梳。右下圖：光子晶元，兼容通用的半導體製造技術。

雖然創造量子計算機沒有基本限制，但是科學家們仍然沒有選擇出哪種材料平台可以最方便且有效地實現量子計算機概念。目前，超導電路、冷原子、離子、鑽石中的缺陷以及其他系統，為了被未來量子計算機選中而展開競爭。

創新

這一次，科學家們提出了半導體平台和二維晶體。近日，維爾茨堡大學（德國）、南安普頓大學（英國）、格勒諾布爾-阿爾卑斯大學（法國）、亞利桑那大學（美國）、西湖大學（中國）、俄羅斯科學院約飛物理技術研究所、聖彼得堡國立大學的科學家們組成的國際科研團隊研究了光子是如何在世界上最薄的半導體晶體平面中傳播的。結果是，空間中的光線偏振分布類似於三色的海螺。物理學家們的研究成果為創造單原子光學晶體管（量子計算機的組件）開闢了道路，有望實現光速計算。研究論文發表在《自然納米技術（Nature Nanotechnology）》期刊上。

技術

研究人員研究了光線在二硒化鉬（MoSe2）二維晶體層中的傳播。二硒化鉬只有一個原子的厚度，是世界上最薄的半導體晶體。研究人員發現，偏振光在這種極細晶層中的傳播取決於光線傳播的方向。這個現象是由於晶體中的自旋軌道相互作用引起的。有意思的是，正如科學家們所指出的，這幅圖展示的偏振光空間分布非同尋常，看上去像五彩繽紛的的海螺。

實驗中所用的非常精細的二硒化鉬晶體是在維爾茨堡大學 Sven H?fling 教授實驗室中合成的。它是歐洲最佳的晶體生長實驗室之一。在聖彼得堡國立大學教授 Alexey Kavokin 的監督下，科學家們在維爾茨堡和聖彼得堡進行測量。Mikhail Glazov 在開發理論基礎中扮演了重要角色。他是俄羅斯科學院的通信成員、聖彼得堡國立大學自旋光學實驗室的僱員、約飛物理技術研究所的首席研究助理。

價值

聖彼得堡國立大學自旋光學實驗室的領頭人 Alexey Kavokin 教授表示：「我預見，在不久的將來，二維單原子晶體將用於量子設備中的信息傳輸。對於經典的計算機與超級計算機需要花很長時間才能完成的任務來說，量子計算設備完成起來非常快。因此，量子技術有著巨大的危險，可以與原子彈的危險相提並論。例如，在量子技術的幫助下，非常迅速地非法入侵銀行保護系統將成為可能。這就是如今密集的研究工作在進行的原因所在。這些工作包括創造保護量子設備的手段，即量子加密技術。而我們的工作主要為半導體量子技術作出了貢獻。」

此外，正如科學家們所提到的，這項研究是朝著研究光誘導（即出現在光線下）的超導性邁出的重要一步。當材料允許電流以零電阻通過時，超導現象就發生了。目前，這種狀態無法在零下70攝氏度以上的溫度條件下實現。可是，如果找到合適的材料，這項發現有可能將電力零損耗地傳輸到地球上的任何位置，並創造出新一代的電動馬達。應該被記住的是，2018年3月，Alexey Kavokin 的研究團隊曾預測，含有超導金屬（例如鋁）的結構，有助於解決這個問題。如今，聖彼得堡國立大學的科學家們正在尋找途徑獲取他們理論的實驗證據。

關鍵字

光學、量子、超導

參考資料

【1】http://english.spbu.ru/news/3015-three-colour-rapana-physicists-have-let-light-through-the-plane-of-the-world-s-thinnest-semiconductor-crystal

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！