瑞士的一個實驗室發現了一種利用雷射來改變和調節激子(Excitons)在2D材料中的光極化、波長和強度的方法,進而提供新一代電晶體更少的能量損失和散熱,開啟了低功耗量子運算的潛力。

當一個電子吸收光並進入更高的能階(energy level),或是固體量子物理學中所說的「能帶(energy band)」時,就會產生激子。這個激發的電子在它以前的能帶中留下了一個 「電洞(electron hole)」,而由於電子有負電荷,電孔有正電荷,這一對電子與電洞被一種稱為庫侖力(Coulomb force)的靜電力結合在一起,就稱為激子。

去年,洛桑聯邦理工學院(EPFL)奈米電子和結構實驗(LANES)的科學家們已開發出一種方法來控制室溫下的激子流動。在最新的發展中,他們發現了這些準粒子(quasiparticle)的新特性,這些特性可以產生更節能的電子設備,並且找到了一種方法來控制一些特性,並改變它們產生的光極化。科學家的發現催生了一個稱為能谷電子(valleytronics)的新研究領域,才剛發表在自然光子學期刊(Nature Photonics)上。

激子只存在於半導體和絕緣材料中,它們特殊的屬性(property)很容易在2D材料中獲得,其基本結構為幾個原子的厚度。這類材料最常見的為碳和鉬,當這種2D材料結合在一起時, 它們往往表現出兩個材料本身都不具備的量子特性。

20190214NT01P1 激子裝置的示意圖結構。(圖片來源:EPFL)

因此,EPFL的科學家結合二硒化鎢(tungsten diselenide,WSe2)與二硒化鉬(molybdenum diselenide;MoSe2),發表一系列可能應用於高科技的新特性。使用雷射產生具有圓形極化(circular polarization)的光束,並稍微移動兩個2D材料的位置,進而形成一個摩爾紋(moiré pattern),能夠使用激子來改變和調節光的極化、波長和強度。

這是透過操控激子的特性來實現的,它們的「谷」與電子和電孔的極端能量有關。這些「谷」——即能谷電子的名字來源——可以達到奈米等級的資訊編碼和處理。EPFL實驗室的首席科學家Andras Kis表示:「連接幾種結合此技術的設備,將可提供我們一種新的處理資料方式。要在一個特定的設備中改變光的極化,可以在第二個設備中選擇一個特定的谷,且此兩個設備互相連接,這類似於從0切換到1或1切換到 0,這是運算中使用的基本二進位邏輯。」

新加坡的一個研究團隊也在研究能谷電子學的潛力,特別是它可能的量子運算用途。新加坡研究員Johnson Goh及其來自A * Star材料研究與工程研究所的團隊,希望在2019年初展示他們第一個概念驗證設備,這些設備使用能谷電子來做簡單的事情,例如打開或者關閉設備。在最近的一份報告中,Goh表示,能谷電子和2D材料的結合,將使奈米電子和奈米光子設備的新功能具有矽基半導體技術無法實現的功能,特別是它將允許2D材料中的電子傳輸以比利用傳統設備消耗更少的能量。

Goh和他的同事們希望解決這項技術商業化的主要障礙。電子產品的大規模生產將需要在至少4英吋的晶圓上形成厚度均勻、具有電氣性能的2D材料。目前正在考慮採用化學氣相沉積(chemical vapor deposition)製造大面積的2D半導體材料。他說,如果將能谷電子置於疊加狀態(superposition states),可以產生一個量子位元(qubit) ——量子運算的基本單位。他補充說,這可能是能谷電子的最大發展領域,尤其是低功耗邊緣運算,最後是量子運算。

(參考原文: 'Excitons' Show Potential for Low-Power Quantum Computing,by Nitin Dahad)