Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej oraz innych ośrodków naukowych odnieśli wielki sukces w dziedzinie badań kwantowych. Po raz pierwszy w historii udało im się wyprodukować ekscytony - cząsteczki powstające z oddziaływania światła z materiałem - w izolatorze topologicznym. To odkrycie może przyczynić się do powstania nowych, sterowanych światłem, podzespołów dla komputerów kwantowych. Osoby biorące udział w odkryciu to m.in. prof. Marcin Syperek z PWr, mgr inż. Paweł Holewa, mgr inż. Paweł Wyborski oraz dr inż. Łukasz Dusanowski.
Izolatory topologiczne to nowa klasa atomowo-cienkich materiałów, które mogą być wykorzystywane w superenergooszczędnych układach elektronicznych z efektami kwantowymi. Po raz pierwszy naukowcy udowodnili, że można oddziaływać ze światłem na te materiały. Są one w stanie wytworzyć ekscytony - cząsteczki, które powstają na skutek oddziaływania światła z materiałem.
Międzynarodowy zespół naukowców odpowiedział na ważne pytanie w swoim artykule „Observation of room temperature excitons in an atomically thin topological insulator” [Obserwacja ekscytonów w temperaturze pokojowej w atomowo cienkim izolatorze topologicznym, przyp.red]. Zespół składał się z przedstawicieli kilku instytucji, w tym z profesorem Marcinem Syperkiem, Pawłem Holewą, Pawłem Wyborskim i dr inż. Łukaszem Dusanowskim z Politechniki Wrocławskiej. Ich odkrycie może mieć wpływ na stworzenie nowych, kontrolowanych światłem, podzespołów dla komputerów kwantowych.
Izolatory topologiczne są rodzajem materiału, który może być wykorzystany do budowy nowej generacji urządzeń elektronicznych. Do tej pory kontrola ładunku w tych materiałach opierała się na użyciu prądu elektrycznego, ale naukowcy z Uniwersytetu we Würzburgu i Uniwersytetu w Dreznie postanowili wykorzystać światło do kontroli procesów fizycznych. Ich założeniem jest zbudowanie superszybkich i energooszczędnych procesorów i pamięci, które wykorzystywałyby szybkość światła i jego stany kwantowe, a także stany na izolatorach topologicznych. Aby to osiągnąć, naukowcy musieli najpierw ustalić, czy możliwe jest efektywne oddziaływanie światła właśnie z tymi izolatorami topologicznymi. By to sprawdzić, zsyntezowali pojedynczą warstwę atomów bizmutu na podłożu z węglika krzemu. Dzięki temu udowodnili hipotezę, że tego typu materiał może aktywnie oddziaływać na światło, wykorzystując optyczne techniki eksperymentalne. Wynikiem badań było stwierdzenie, że fotony pochłaniane przez izolator topologiczny tworzą w obszarze izolacyjnym materiału kwazicząstki zwane ekscytonami.
Naukowcy z Uniwersytetu w Würzburgu w ramach badań próbowali stworzyć i obserwować kwazicząstki w materiałach ultracienkich, ale bez powodzenia. W związku z tym zaprosili do współpracy grupę prof. Marcina Syperka specjalizującą się w zgłębianiu wiedzy na temat materiałów za pomocą światła, ponieważ dobrze znali ich ekspercką wiedzę. Wówczas grupa polskich naukowców skorzystała z techniki eksperymentalnej, która polegała na oświetlaniu materiału światłem podczerwonym. Dzięki czemu po raz pierwszy udało im się wytworzyć ekscytonowe kwazicząstki w temperaturze pokojowej i zbadać ich niektóre właściwości. Wyniki badań potwierdziły, że możliwe jest efektywne oddziaływanie światła na topologiczną materię, co otwiera nowe możliwości w zakresie badań nad optycznie kontrolowalną materią topologiczną, zarówno w aspekcie fundamentalnym, jak i aplikacyjnym.
Omijając skomplikowane zjawiska związane z materiałem, możemy stwierdzić, że przepływ prądu elektrycznego w tym miejscu nie powoduje wytwarzania ciepła i strat energii. To oznacza, że układy elektroniczne, procesory czy pamięci bazujące na tym materiale potencjalnie nie muszą być chłodzone, jak ma to miejsce w konwencjonalnych układach elektronicznych. Takie rozwiązanie oznacza oszczędność energii i efektywniejsze jej wykorzystanie.
Autor: Michał Wiktorowicz
