Nieuw quantummateriaal brengt de elektronica een stap verder

De ontwikkeling van nieuwe informatie- en communicatietechnologieën stelt wetenschappers en de industrie voor nieuwe uitdagingen. Het ontwerpen van nieuwe quantummaterialen – waarvan de uitzonderlijke eigenschappen voortvloeien uit de quantumfysica – is de meest veelbelovende manier om deze uitdagingen aan te gaan.

Een internationaal team onder leiding van de Universiteit van Genève (UNIGE) en onderzoekers van de universiteiten van Salerno, Utrecht en Delft, heeft een materiaal ontworpen waarin de dynamiek van elektronen kan worden gecontroleerd door het weefsel van de ruimte waarin zij zich ontwikkelen te krommen. Deze eigenschappen zijn van belang voor elektronische apparaten van de volgende generatie, waaronder de opto-elektronica van de toekomst, aldus UNIGE in een persbericht.

Kijkje in de toekomst

De telecommunicatie van de toekomst vereist nieuwe, uiterst krachtige elektronische apparaten. Deze moeten elektromagnetische signalen kunnen verwerken met ongekende snelheden, in het picosecondengebied, d.w.z. een duizendste van een miljardste van een seconde. Dit is ondenkbaar met de huidige halfgeleidermaterialen, zoals silicium, dat op grote schaal wordt gebruikt in de elektronische componenten van onze telefoons, computers en spelconsoles. Om dit te bereiken richten wetenschappers en de industrie zich op het ontwerpen van nieuwe quantummaterialen.

Dankzij hun unieke eigenschappen – met name de collectieve reacties van de elektronen waaruit zij bestaan – zouden deze quantummaterialen kunnen worden gebruikt om informatiedragende signalen (bijvoorbeeld fotonen, in het geval van quantumtelecommunicatie) op te vangen, te manipuleren en door te geven in nieuwe elektronische apparaten. Bovendien kunnen zij werken in elektromagnetische frequentiebereiken die nog niet zijn verkend en zo de weg openen naar zeer snelle communicatiesystemen.

ParityQC maakt de kwantumcomputer schaalbaar

De verwachtingen voor kwantumcomputers zijn hooggespannen. Ze moeten complexe problemen oplossen die conventionele computers niet aankunnen. Een voorbeeld zijn optimalisatietaken.

Gekromde ruimte

Een van de meest fascinerende eigenschappen van quantummaterie is dat elektronen kunnen evolueren in een gekromde ruimte. Door deze vervorming van de door de elektronen bewoonde ruimte genereren de krachtvelden een dynamiek die in conventionele materialen volledig ontbreekt. Dit is een uitstekende toepassing van het principe van quantumsuperpositie”, verklaart Andrea Caviglia, hoogleraar aan UNIGE.

Na een eerste theoretische studie heeft het internationale team van onderzoekers van de universiteiten van Genève, Salerno, Utrecht en Delft een materiaal ontworpen waarin de kromming van het ruimteweefsel controleerbaar is. “We hebben een interface ontworpen die een extreem dunne laag vrije elektronen herbergt. Het is ingeklemd tussen strontiumtitanaat en lanthaanaluminaat, twee isolerende oxiden”, zegt Carmine Ortix, hoogleraar aan de universiteit van Salerno en coördinator van de studie. Deze combinatie maakt het mogelijk bijzondere elektronische geometrische configuraties te verkrijgen die op verzoek kunnen worden gecontroleerd.

Niet af te luisteren internet voor Rotterdamse haven met Delftse quantumtechnologie

De haven van Rotterdam beschikt binnenkort over een niet te kraken multi-user quantumnetwerk voor kritieke communicatiesystemen.

Eén atoom tegelijk

Hiervoor gebruikte het onderzoeksteam een geavanceerd systeem om materialen op atomaire schaal te fabriceren. Met behulp van laserpulsen werd elke laag atomen achter elkaar gestapeld. “Met deze methode konden we speciale combinaties van atomen in de ruimte maken die het gedrag van het materiaal beïnvloeden”, aldus de onderzoekers.

Hoewel het vooruitzicht op technologisch gebruik nog ver weg is, opent dit materiaal nieuwe wegen in het onderzoek naar de manipulatie van elektromagnetische signalen met zeer hoge snelheid. Deze resultaten kunnen ook nuttig zijn bij de ontwikkeling van nieuwe sensoren. De volgende stap voor het onderzoeksteam bestaat uit verder observeren hoe dit materiaal reageert op hoge elektromagnetische frequenties, zodat de potentiële toepassingen ervan nauwkeuriger bepaald kunnen worden.