Учёные нашли способ управлять квантовыми состояниями в 2D-материалах одним лазерным импульсом

Исследователи из Индийского технологического института в Бомбее разработали простой метод управления квантовыми состояниями в ультратонких материалах с помощью света. Это открытие может привести к созданию компьютеров, работающих в миллион раз быстрее современных и потребляющих меньше энергии.

Схематичное изображение работы метода. Автор: Advanced Optical Materials (2025). DOI: 10.1002/adom.202501593

Учёные работали с двумерными полупроводниками толщиной в один атом. В таких материалах электроны могут находиться в одном из двух квантовых состояний, называемых «долинами» (K и K′). Эти состояния можно использовать как квантовые аналоги цифровых 0 и 1, что является основой для новой области — валлейтроники. Однако до сих пор не существовало простого способа быстро и надёжно переключаться между этими состояниями и считывать результат.

Новый метод, описанный в журнале Advanced Optical Materials, решает эту проблему. Вместо сложных схем с несколькими лазерными импульсами учёные используют всего один линейно поляризованный импульс. Ключевым оказался контролируемый временной сдвиг между компонентами поляризации лазера, создающий асимметрию в его форме. Изменяя направление этой асимметрии, можно переключать электроны между долинами K и K′, делая процесс полностью обратимым.

«Предыдущие методы требовали сложных экспериментальных установок и работали только в определённых условиях. Наш подход значительно проще», — пояснил профессор Гопал Диксит.

Важно, что тот же лазерный импульс, который переключает состояние, генерирует и крошечный электрический ток. Этот ток служит встроенным сигналом, указывающим, какое состояние было выбрано, что позволяет одновременно управлять системой и считывать информацию без дополнительных инструментов.

Метод работает в широком диапазоне длин волн и не зависит от точного соответствия частоты лазера энергии материала, что было ограничением предыдущих подходов. Поскольку эффект основан на форме импульса, ожидается, что он будет работать с различными 2D-полупроводниками даже при комнатной температуре.

Переключение происходит быстрее одного цикла лазера, открывая путь к обработке информации на петагерцовых частотах — примерно в миллион раз быстрее, чем у самых быстрых современных коммерческих процессоров. Это упрощает экспериментальные требования и прокладывает путь к созданию компактных оптических платформ для вычислений, управляемых исключительно светом.

ИИ: Это исследование выглядит как важный практический прорыв в валлейтронике, переводя её из области сложных лабораторных экспериментов ближе к потенциальным технологическим применениям. Возможность управления и считывания одним импульсом при комнатной температуре — именно то, что нужно для будущей интеграции в реальные устройства.