Yeni yapılan bir araştırmada, araştırmacılar, kuantum hesaplama için umut veren materyallerde elektron akışının yönünü elektronik olarak değiştirmenin nasıl gerçekleştirilebileceğini ilk kez gösterdiler. Kuantum Kontrolü nedir? Gelecekte sunacağı avantajlar neler? Yakından bakalım.
Kuantum bilgisayarlar ve elektronik cihazların geliştirilmesinde devrim niteliğinde olabilecek bazı kuantum materyallerinde elektron akışının yönünü kolayca değiştirebilen yeni bir elektriksel yöntem, Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nde geliştirildi ve gösterildi. Araştırma ekibi, materyallerin kenarlarında elektron akışının enerji kaybetmediği bir fenomen olan kuantum anormal Hall (QAH) etkisini gösteren materyaller üzerinde bu yöntemi geliştirdi. 19 Ekim’de Nature Materials dergisinde yayınlanan bir makalede çalışmalarını açıkladı.
Kuantum Kontrolü ‘nün önemi
Elektron Akışı Kontrolünün Önemi “Pillerin küçüldü ve bilgi transfer verimliliğini artırmak giderek daha önemli hale geliyor,” diyen çalışmanın baş yazarı ve Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden fizik profesörü Cui-Zu Chang, “QAH etkisi, elektronların malzemenin kenarlarında akarken enerji kaybı olmaması nedeniyle umut vadeden bir etkiye sahip.” şeklinde konuştu.
2013 yılında, Chang bu kuantum fenomenini deneysel olarak ilk kez kanıtladı. Bu etkiyi gösteren materyallere QAH yalıtkanları denir; bunlar, yalnızca kenarlarında akım ileten bir tür topolojik yalıtkan olan ve sadece birkaç düzine atom kalınlığında olan bir ince filmdir.
Elektronlar temiz bir şekilde tek bir yönde hareket ettikleri için bu etki, ısı şeklinde enerji kaybının olmaması anlamına gelen bir tür dönüşsüzdür. “Penn State araştırmacıları, malzemenin iç magnetizmasına etki eden spin-orbit torkunu kullanarak, elektron akışını değiştiren yeni bir yöntem geliştirdi. Materyale 5 milisaniyelik bir akım darbesi uygulanarak malzemenin iç magnetizmasına etki edildi ve elektronların yönü değişti.
Elektron Akışının Yönlendirilmesi “QAH yalıtkanında, malzemenin bir tarafındaki elektronlar bir yönde hareket ederken, diğer taraftakiler tam tersi yönde hareket eder, adeta iki şeritli bir otoyol gibi,” diyen Chang, “Daha önceki çalışmamız, QAH etkisini ölçeklendirmenin yollarını gösterdi; esasen daha hızlı elektron taşıma için çoklu şeritli bir otoyol oluşturduk. Bu çalışmada, elektron otoyolunun taşıma yönünü kontrol etmek için yeni bir elektriksel yöntem geliştirdik ve elektronlara anında bir geri dönüş yapma imkanı sağladık.”
Araştırmacılar, belirli ve optimize edilmiş özelliklere sahip bir QAH yalıtkanı ürettiler. QAH yalıtkanına 5 milisaniyelik bir akım darbesi uygulamanın, malzemenin iç magnetizmasına etki ettiğini ve elektronların yönünü değiştirdiğini keşfettiler. Elektron akışının yönünü değiştirebilmek, kuantum teknolojilerinde bilgi transferi ve depolama için kritik önem taşır.
Elektronik Cihazlar ve Kuantum Bilgisayarlar İçin Önemli Bir Gelişme: Yönlendirilmiş Bilgi Transferi
Mıknatıstan Elektronik Kontrole “Önceki yöntem, manyetik mıknatıs kullanarak elektron akışının yönünü değiştiriyordu, ancak bu yöntem elektronik cihazlarda uygun değildir.” diyen çalışmanın diğer yazarı ve Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden fizik profesörü Chao-Xing Liu, “Büyük mıknatıslar, akıllı telefonlar gibi küçük cihazlar için pratik değil ve bir elektronik anahtar genellikle manyetik bir anahtardan çok daha hızlıdır. Bu çalışmada, elektron akışının yönünü değiştirmek için uygun bir elektronik yöntem bulduk.”
Araştırmacılar, QAH yalıtkanını optimize etmiş ve sistemin içindeki bir fiziksel mekanizmadan yararlanabilmişlerdir. “Yöntemin etkili olabilmesi için uygulanan akım yoğunluğunu artırmamız gerekti.” diyen Liu. “QAH yalıtkan cihazlarını daraltarak, akım darbesi sonucunda manyetizasyon yönünü değiştiren ve elektron taşıma rotasını değiştiren çok yüksek bir akım yoğunluğu elde ettik.”
Araştırmacıların belirttiğine göre, bu kuantum materyallerdeki manyetikten elektronik kontrole geçiş, geleneksel bellek depolama alanında gerçekleşen bir geçiş ile benzerlik göstermektedir: Orijinal sabit diskler ve disketlerdeki bilgi depolama, manyetik bir alan oluşturmak ve veri yazmak için mıknatısların kullanılmasını içeriyordu.
USB sürücüler, katı hal sabit diskler ve akıllı telefonlarda kullanılan “flash bellek” gibi daha yeni bellek depolama birimleri ise elektronik olarak yazılmaktadır. MRAM gibi bellek ölçeklendirmede umut vadeden yeni teknolojiler de, dahili manyetizma ile ilgili fiziksel mekanizmalara dayanmaktadır.
Teorik Yorum ve Geleceğe Yönelik Çalışmalar
Deneysel gösterimin ötesinde, Kuantum Kontrolü araştırma ekibi metodolojileri hakkında teorik bir yorum da sundu.
Ekip şu anda elektronları rotalarında duraklatmanın yollarını araştırıyor, yani sistemleri açıp kapatmanın bir yolunu buluyorlar. Ayrıca, QAH etkisini daha yüksek sıcaklıklarda göstermenin yollarını araştırıyorlar.
“Bu etki, kuantum bilgisayarlar ve süperiletkenler için gereken akım gereksinimleri, sıfırın altındaki çok düşük sıcaklıklar gerektiriyor,” diyen Chang. “Uzun vadeli hedefimiz, QAH etkisini daha teknolojik olarak geçerli sıcaklıklarda tekrarlamaktır.”
