Monat: März 2018

Datum:14. März 2018

Quelle:Universität von Illinois in Urbana-Champaign

Zusammenfassung:Forscher haben eine “menschliche Maßstab” -Demonstration einer neuen Phase der Materie, die als topologische Isolatoren mit Quadrupol bezeichnet wird, erstellt, die kürzlich unter Verwendung der theoretischen Physik vorhergesagt wurde. Dies sind die ersten experimentellen Ergebnisse, die diese Theorie bestätigen.

Forscher haben eine “menschliche Skala” Demonstration einer neuen Phase der Angelegenheit, die als topologische Isolatoren des Quadrupols bezeichnet wird, produziert, der kürzlich unter Verwendung der theoretischen Physik vorhergesagt wurde. Dies sind die ersten experimentellen Ergebnisse, die diese Theorie bestätigen.

Die Forscher berichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Nature.

Die Arbeit des Teams mit QTIs entstand aus dem jahrzehntelangen Verständnis der Eigenschaften einer Materialklasse namens topologische Isolatoren. “TIs sind elektrische Isolatoren auf der Innenseite und Leiter entlang ihrer Grenzen, und können ein großes Potenzial für die Entwicklung von Low-Power, robuste Computer und Geräte, alle auf atomarer Ebene definiert”, sagte Maschinenbau-Professor und Senior Investigator Gaurav Bahl .

Die ungewöhnlichen Eigenschaften von TIs machen sie zu einer besonderen Form elektronischer Materie. “Sammlungen von Elektronen können ihre eigenen Phasen innerhalb von Materialien bilden. Diese können feste, flüssige und gasförmige Phasen wie Wasser sein, aber manchmal können sie auch ungewöhnlichere Phasen bilden wie ein TI”, sagte Co-Autor und Physikprofessor Taylor Hughes.

TIs existieren typischerweise in kristallinen Materialien und andere Studien bestätigen TI-Phasen, die in natürlich vorkommenden Kristallen vorkommen, aber es gibt noch viele theoretische Vorhersagen, die bestätigt werden müssen, sagte Hughes.

Eine solche Vorhersage war die Existenz eines neuen Typs von TI mit einer elektrischen Eigenschaft, die als Quadrupolmoment bekannt ist. “Elektronen sind einzelne Teilchen, die Ladung in einem Material tragen”, sagte Physik-Student Wladimir Benalcazar. “Wir fanden heraus, dass Elektronen in Kristallen kollektiv so angeordnet sind, dass sie nicht nur Ladungsdipoleinheiten – also Paarungen positiver und negativer Ladungen – entstehen lassen, sondern auch Multipole höherer Ordnung, in denen vier oder acht Ladungen zu einer Einheit zusammengeführt werden Das einfachste Mitglied dieser Klassen höherer Ordnung sind Quadrupole, in denen zwei positive und zwei negative Ladungen gekoppelt sind. ”

Es ist derzeit nicht möglich, ein Atom Atom für Atom zu konstruieren, geschweige denn das Quadrupolverhalten von Elektronen zu kontrollieren. Stattdessen baute das Team ein praktikables Analogon eines QTI mit einem Material aus Leiterplatten. Jede Leiterplatte hält ein Quadrat von vier identischen Resonatoren – Geräte, die elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Frequenz absorbieren. Die Bretter sind in einem Gittermuster angeordnet, um das vollständige Kristallanalog zu erzeugen.

“Jeder Resonator verhält sich wie ein Atom, und die Verbindungen zwischen ihnen verhalten sich wie Bindungen zwischen Atomen”, sagte Kitt Peterson, der leitende Autor und ein Elektrotechnik-Student. “Wir wenden Mikrowellenstrahlung auf das System an und messen, wie viel von jedem Resonator absorbiert wird, was uns sagt, wie sich Elektronen in einem analogen Kristall verhalten würden. Je mehr Mikrowellenstrahlung von einem Resonator absorbiert wird, desto wahrscheinlicher ist es, ein Elektron zu finden auf dem entsprechenden Atom. ”

Das Detail, das dies zu einem QTI macht und nicht zu einem TI, ist ein Ergebnis der Besonderheiten der Verbindungen zwischen Resonatoren, so die Forscher.

“Die Kanten eines QTIs sind nicht leitend, wie man es bei einem typischen TI sehen würde”, sagte Bahl. “Stattdessen sind nur die Ecken aktiv, also die Kanten der Kanten, und sie sind analog zu den vier lokalisierten Punktladungen bilden ein sogenanntes Quadrupol-Moment. Genau wie Taylor und Wladimir vorhergesagt haben. ”

“Wir haben gemessen, wie viel Mikrowellenstrahlung jeder Resonator in unserem QTI absorbierte, was die Resonanzzustände in einem präzisen Frequenzbereich bestätigt und genau in den Ecken liegt”, sagte Peterson. “Dies wies auf die Existenz von vorhergesagten Schutzzuständen hin, die von Elektronen gefüllt würden, um vier Eckenladungen zu bilden.”

Jene Ecklasten dieser neuen Phase der elektronischen Materie können möglicherweise Daten für Kommunikation und Datenverarbeitung speichern. “Das scheint mit unserem Modell der menschlichen Skala nicht realistisch zu sein”, sagte Hughes. “Wenn wir jedoch an QTIs auf atomarer Ebene denken, werden enorme Möglichkeiten für Geräte sichtbar, die Rechen- und Informationsverarbeitung durchführen, möglicherweise sogar in einem Bereich unterhalb dessen, was wir heute erreichen können.”

Die Forscher sagten, dass die Übereinstimmung zwischen Experiment und Vorhersage vielversprechend sei, dass Wissenschaftler beginnen, die Physik von QTIs für den praktischen Gebrauch gut zu verstehen.

“Als theoretische Physiker konnten Wladimir und ich die Existenz dieser neuen Form der Materie vorhersagen, aber es wurde bisher kein Material gefunden, das diese Eigenschaften besitzt”, sagte Hughes. “Die Zusammenarbeit mit Ingenieuren hat dazu beigetragen, unsere Vorhersage Wirklichkeit werden zu lassen.”

Die National Science Foundation und das U.S. Office of Naval Research unterstützten diese Studie.

Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. Original geschrieben von Lois E Yoksoulian. Hinweis: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.

Datum:27. März 2018

Quelle:Amerikanisches Institut für Physik

Zusammenfassung:
Glasfaserkabel bringen alles von Finanzdaten bis hin zu Katzenvideos in Licht, aber wenn das Signal in Ihrem lokalen Rechenzentrum eintrifft, gerät es in einen Silizium-Engpass. Anstelle von Licht laufen Computer auf Elektronen, die sich durch siliziumbasierte Chips bewegen, die weniger effizient sind als die Photonik. Um durchzubrechen, haben Wissenschaftler Laser entwickelt, die auf Silizium arbeiten. Forscher schreiben nun, dass die Zukunft von siliziumbasierten Lasern in Quantenpunkten liegen könnte.

Tausende Kilometer Glasfaserkabel durchziehen den Globus und verpacken alles von Finanzdaten bis hin zu Katzenvideos in Licht. Wenn das Signal jedoch in Ihrem lokalen Rechenzentrum eintrifft, gerät es in einen Silizium-Engpass. Statt Licht laufen Computer auf Elektronen, die sich durch siliziumbasierte Chips bewegen – trotz großer Fortschritte immer noch weniger effizient als die Photonik.

Um diesen Engpass zu durchbrechen, versuchen Forscher, die Photonik in Siliziumbauelemente zu integrieren. Sie haben Laser entwickelt – eine entscheidende Komponente von photonischen Schaltkreisen – die nahtlos auf Silizium arbeiten. In einem Artikel, der diese Woche in APL Photonics von AIP Publishing erschien, schreiben Forscher von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, dass die Zukunft von siliziumbasierten Lasern in winzigen, atomartigen Strukturen, sogenannten Quantenpunkten, liegen könnte.

Solche Laser könnten viel Energie sparen. Das Ersetzen der elektronischen Komponenten, die Geräte mit photonischen Komponenten verbinden, könnte den Energieverbrauch um 20 bis 75 Prozent senken, sagte Justin Norman, ein Doktorand an der UC Santa Barbara. “Es ist eine substantielle Senkung des globalen Energieverbrauchs, nur weil wir Laser und photonische Schaltkreise mit Silizium integrieren können.”

Silizium hat jedoch nicht die richtigen Eigenschaften für Laser. Die Forscher haben sich stattdessen einer Klasse von Materialien aus den Gruppen III und V des Periodensystems zugewandt, da diese Materialien in Silizium integriert werden können.

Zu Beginn hatten die Forscher Mühe, eine Methode der funktionalen Integration zu finden, aber letztendlich nutzten sie Quantenpunkte, weil sie direkt auf Silizium wachsen konnten, so Norman. Quantenpunkte sind nur wenige Nanometer große Halbleiterpartikel – klein genug, um sich wie einzelne Atome zu verhalten. Wenn sie mit elektrischem Strom betrieben werden, werden Elektronen und positiv geladene Löcher in den Punkten eingeschlossen und rekombinieren, um Licht zu emittieren – eine Eigenschaft, die ausgenutzt werden kann, um Laser herzustellen.

Die Forscher machten ihre III-V-Quantenpunktlaser mit einer Technik namens Molekularstrahlepitaxie. Sie lagern das III-V-Material auf dem Siliciumsubstrat ab, und seine Atome ordnen sich selbst zu einer kristallinen Struktur zusammen. Aber die Kristallstruktur von Silizium unterscheidet sich von III-V-Materialien, was zu Defekten führt, die es Elektronen und Löchern ermöglichen, zu entweichen, was die Leistung verschlechtert. Glücklicherweise, weil Quantenpunkte in hohen Dichten – mehr als 50 Milliarden Punkte pro Quadratzentimeter – zusammengepackt sind, fangen sie Elektronen und Löcher ein, bevor die Teilchen verloren gehen.

Diese Laser haben viele andere Vorteile, sagte Norman. Zum Beispiel sind Quantenpunkte in photonischen Schaltkreisen stabiler, weil sie atomartige Energiezustände lokalisiert haben. Sie können auch mit weniger Strom fahren, weil sie nicht so viel Strom benötigen. Darüber hinaus können sie bei höheren Temperaturen arbeiten und auf kleinere Größen herunterskaliert werden.

Im letzten Jahr haben die Forscher dank der Fortschritte beim Materialwachstum beträchtliche Fortschritte erzielt, sagte Norman. Jetzt arbeiten die Laser bei 35 Grad Celsius ohne viel Abbau und die Forscher berichten, dass die Lebensdauer bis zu 10 Millionen Stunden betragen könnte.

Sie testen jetzt Laser, die bei 60 bis 80 Grad Celsius betrieben werden können, dem typischen Temperaturbereich eines Rechenzentrums oder Supercomputers. Sie arbeiten auch daran, epitaktische Wellenleiter und andere photonische Komponenten zu entwerfen, sagte Norman. “Plötzlich”, sagte er, “haben wir so viel Fortschritte gemacht, dass die Dinge etwas näher kommen.”