{{{sourceTextContent.title}}}

Un nouveau type de transistor approprié à un ordinateur de quantum

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Ce diagramme illustre le concept derrière la vision de l'équipe de MIT d'un nouveau genre d'appareil électronique

{{{sourceTextContent.description}}}

Les scientifiques ont utilisé des ordinateurs géants pour trouver une nouvelle classe des matériaux qui possèdent un état de choses exotique connu sous le nom de Hall effect de rotation de quantum. Les chercheurs ont édité leurs résultats en la Science de journal en décembre 2014, où ils proposent un nouveau type de transistor fait à partir de ces matériaux.

L'équipe de la science a inclus Ju Li, Liang Fu, Xiaofeng Qian, et Junwei Liu, experts en matière de phases topologiques de matière et de recherche bidimensionnelle de matériaux chez le massachusetts.institute.of.technology (MIT). Elles ont calculé les structures électroniques des matériaux utilisant la ruée et les ordinateurs géants de Lonestar du Texas ont avancé le centre de calcul.

L'attribution informatique a été faite par XSEDE, la Science et l'environnement extrême de découverte de technologie, un système virtuel simple financé par le National Science Foundation (NSF) cette utilisation de scientifiques de partager interactivement les ressources informatiques, les données et l'expertise. L'étude a été placée par le ministère de l'énergie des États-Unis et le NSF.

« À moi, les ressources informatiques nationales aiment XSEDE, ou spécifiquement les ordinateurs géants de ruée et de Lonestar, sont extrêmement utiles aux scientifiques informatiques, » Xiaofeng Qian a indiqué. En janvier 2015, Qian a quitté le MIT pour joindre l'université du Texas A&M comme l'assistant de la première tenure-voie à son département récemment formé de science des matériaux et de technologie.

Quels Qian et collègues ont fait était travail purement théorique, utilisant la ruée vers une partie des calculs qui ont modelé les interactions des atomes dans les matériaux originaux, les dichalcogenides bidimensionnels en métal de transition (TMDC). Qian avait l'habitude le paquet moléculaire de simulation de Vienne de logiciel de simulation de dynamique ab initio pour modeler une cellule d'unité des atomes, le bloc fonctionnel de base du réseau cristallin de TMDC.

« Si vous regardez la cellule d'unité, elle n'est pas grande. Ils sont juste quelques atomes. Cependant, le problème est que nous devons prévoir la structure de bande des porteurs de charge dans leurs états excited en présence de l'accouplement de rotation aussi exactement comme possible, » Qian a dit.

Le diagramme de scientifiques la structure de bande électronique des matériaux pour montrer l'énergie s'étend un électron est permis, avec l'espace de bande montrant les zones interdites qui bloquent fondamentalement l'écoulement du courant. L'accouplement de rotation explique les interactions électromagnétiques entre la rotation de l'électron et le champ magnétique produits du mouvement de l'électron autour du noyau.

La complexité se situe dans les détails de ces interactions, pour lesquelles Qian a appliqué la théorie de la perturbation de beaucoup-corps avec l'approximation de gw, une méthode du dernier cri des premiers principes, pour calculer les structures électroniques de quasiparticle pour des électrons et des trous. Le « g » est abréviation la fonction de Green et « W » pour l'interaction examinée de coulomb, Qian a expliqué.

Ce diagramme illustre le concept derrière la vision de l'équipe de MIT d'un nouveau genre d'appareil électronique basé sur les 2-D matériaux. Le 2-D matériel est au milieu d'un « sandwich posé, » avec des couches de matériel, d'une nitrure de bore, en haut et d'un fond différents (montré dans le gris). Quand un champ électrique est appliqué au matériel, par les secteurs rectangulaires en haut, il commute l'état de quantum de la couche moyenne (secteurs jaunes). Les frontières de ces derniers « ont commuté » des régions agissent en tant que fils parfaits de quantum, potentiellement conduisant à de nouveaux appareils électroniques avec de basses pertes. (Crédit : Yan Lian, MIT.) « Afin d'effectuer ces calculs pour obtenir la convergence raisonnable dans les résultats, nous devons employer 96 noyaux, parfois encore plus, » Qian a dit. « Et alors nous avons besoin de eux pendant 24 heures. L'ordinateur de ruée est très efficace et puissant. Le travail que nous avons été apparence n'est pas simplement un matériel ; nous avons plusieurs autres matériaux aussi bien que différentes conditions. Dans ce sens, l'accès aux ressources, particulièrement ruée, est très utile à notre projet. »

La grande image pour Qian et ses collègues est la chasse pour de nouveaux genres de matériaux avec les propriétés extraordinairement utiles. Leur cible est les isolateurs de Hall de rotation de quantum de température ambiante, qui sont des matériaux fondamentalement proche-deux-dimensionnels qui bloquent l'écoulement courant partout excepté le long de leurs bords. « Le long des bords vous avez la soi-disant rotation vers le haut de l'écoulement d'électron dans une direction, et en même temps vous avez la rotation avalez des électrons et les écoulements loin dans la direction opposée, » Qian ont expliqué. « Fondamentalement, vous pouvez imaginer, en commandant l'injection des porteurs de charge, on peut proposer le spintronics, ou l'électronique. »

Les scientifiques dans ce travail ont proposé un transistor topologique d'effet de champ, fait de feuilles de bore hexagonal entrelacées avec des feuilles de TMDC. « Nous avons trouvé une méthode très commode pour commander la transition de phase topologique en ces couches intercalaires de Hall de rotation de quantum, » Qian a dit. « C'est très important parce qu'une fois que nous avons ces possibilités pour commander la transition de phase, nous pouvons concevoir quelques appareils électroniques qui peuvent être commandés facilement par les champs électriques. »

Qian a soumis à une contrainte que ce travail étend la terre théorique pour de futures vraies expériences dans le laboratoire. Il espère qu'il pourrait se développer en transistor réel approprié à un ordinateur de quantum, fondamentalement une machine comme-encore-non-réalisée qui manoeuvre des données au delà juste de la binaire de ceux et des zéros.

« Jusqu'ici, nous n'avons pas examiné les applications détaillées pour l'informatique quantique encore, » Qian a dit. « Cependant, il est possible de combiner ces matériaux avec des supraconducteurs et de proposer le soi-disant mode du fermion zéro de Majorana pour l'informatique quantique. »