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美制電子態超純砷化鎵或用于量子計算機研發

發布時間:2011-7-30 11:36    發布者:Liming
據美國每日科學網站報道,美國科學家成功制造出了超純的砷化鎵,并讓其呈現出某種特殊的狀態,在這種狀態下,電子不再遵守單粒子的物理學法則而被它們之間的相互作用(由量子力學法則來解釋)所掌控,這種超純材料和狀態都有望用于高速量子計算機的研究中。
量子計算機使用電子的量子力學行為來存儲和處理信息,與傳統計算機相比,其功能更強大、效率更高。這需要讓電子處于一種相互關聯的狀態中,一個電子上的變化立刻會由其他電子反應出來。如果科學家能控制這些過程,就能使用它來制造并行處理以執行經典計算機無法完成的計算。

  美國普渡大學的物理學副教授邁克爾-芒弗拉指出,要想捕捉到顯微鏡內的電子并迫使它們僅僅相互作用,要求材料必須非常純凈,任何雜質都可能導致電子散射并破壞這個脆弱的關聯狀態。同時,科學家們也必須將電子冷卻到相當低的溫度并施加磁場來讓其達到這種關聯狀態。

  芒弗拉領導的團隊設計和制造出了一個名為高流動性砷化鎵分子束外延(MBE)系統的裝置,這個設備制造出的超純砷化鎵半導體的精確性能達到原子層級,是一種由鎵原子和砷原子組成的完美對齊的晶格,能捕捉二維平面的電子,讓電子無法上下移動,限制其前后和左右運動的能力。

  該研究的參與者、物理學副教授嘉寶·凱西使用實驗室的特殊設備將這種材料和電子冷卻到了5毫開爾文(接近絕對零度)。凱西解釋道:“在室溫下,電子就像臺球會相互撞擊,遵守經典力學法則。而隨著溫度不斷降低,電子會平靜下來并意識到臨近電子的出現。接著,電子們可能就會集體行動,而這種集體行為則遵守量子力學法則。”他說,電子們進行著一種復雜的“舞蹈”,它們都試圖呈現最好的排列方式,讓其達到最低能級狀態并最終形成新的模式或基態。

  芒弗拉指出:“這些奇異狀態超出了固體物理學的標準模型,我們對此也知之甚少。大多數標準材料并不存在這些狀態,其僅僅出現在超純砷化鎵半導體晶體特定的狀態下,最新研究為我們理解基礎物理學提供了新的視野。”

  芒弗拉說:“如果我們能利用半導體內的這種電子行為,也不失為一種可行的建立量子計算機的方法。當然,這項工作還處于初期階段,我們仍有很長的路要走。不過,最新研究讓我們首次有機會管窺沒有被理解的物理現象和新粒子。”
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