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Un nuovo tipo di transistore adatto a calcolatore di quantum

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Questo schema illustra il concetto dietro la visione della squadra del MIT di nuovo genere di apparecchio elettronico

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Gli scienziati hanno utilizzato i supercomputer per trovare un nuovo codice categoria dei materiali che possiedono lle dichiarazioni esotiche conosciute come il Hall effect di rotazione di quantum. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati nella scienza del giornale nel dicembre 2014, dove propongono un nuovo tipo di transistore fatto da questi materiali.

La squadra di scienza ha incluso Ju Li, Liang Fu, Xiaofeng Qian e Junwei Liu, esperti nelle fasi topologiche di materia e di ricerca bidimensionale dei materiali al Massachusetts Institute of Technology (MIT). Hanno calcolato le strutture elettroniche dei materiali usando la fuga precipitosa ed i supercomputer di Lonestar del Texas hanno avanzato il centro di elaborazione.

La ripartizione di calcolo è stata fatta con XSEDE, la scienza e l'ambiente estremo di scoperta di ingegneria, un singolo sistema virtuale costituito un fondo per dal National Science Foundation (NSF) quell'uso degli scienziati ripartire con interazione le risorse, i dati e la perizia di computazione. Lo studio è stato costituito un fondo per dal Dipartimento per l'energia di Stati Uniti ed il NSF.

“A me, le risorse di computazione nazionali gradicono XSEDE, o specificamente i supercomputer di Lonestar e di fuga precipitosa, sono estremamente utili agli scienziati di calcolo,„ Xiaofeng Qian ha detto. Nel gennaio 2015, Qian ha lasciato il MIT per unire l'università del Texas A&M come il primo assistente universitario della possesso-pista al relativo reparto formato di recente di scienza e dell'ingegneria dei materiali.

Che Qian e colleghi hanno fatto era lavoro puramente teorico, usando la fuga precipitosa per la parte dei calcoli che hanno modellato le interazioni degli atomi nei materiali novelli, dichalcogenides bidimensionali del metallo di transizione (TMDC). Qian ha usato il pacchetto molecolare di simulazione di Vienna del software di simulazione di dinamica ab initio per modellare una cellula di unità degli atomi, la particella elementare di base della grata di cristallo di TMDC.

“Se esaminate la cellula di unità, non è grande. Sono appena alcuni atomi. Tuttavia, il problema è che dobbiamo predire esattamente la struttura di fascia degli elementi portanti di carica nelle loro condizioni emozionanti in presenza dell'accoppiamento di rotazione come possibile,„ Qian ha detto.

Lo schema degli scienziati la struttura di fascia elettronica dei materiali per mostrare l'energia varia un elettrone è consentito a, con lo spacco di fascia che mostra le zone severe che ostruiscono basicamente il flusso della corrente. L'accoppiamento di rotazione rappresenta le interazioni elettromagnetiche fra la rotazione dell'elettrone ed il campo magnetico generati dal movimento dell'elettrone intorno al nucleo.

La complessità si trova in dettaglio di queste interazioni, per cui Qian ha applicato la teoria di perturbazione del molto-corpo con l'approssimazione di GW, un metodo avanzato di primi principi, per calcolare le strutture elettroniche del quasiparticle per gli elettroni ed i fori. “Il G„ è breve per la funzione Green e “W„ per interazione selezionata di coulomb, Qian ha spiegato.

Questo schema illustra il concetto dietro la visione della squadra del MIT di nuovo genere di apparecchio elettronico basato sui 2-D materiali. Il 2-D materiale è alla metà “di un panino stratificato,„ con gli strati di un altri materiale, nitruro del boro, in cima e parte inferiore (indicata nel gray). Quando un campo elettrico si applica al materiale, via le zone rettangolari in cima, commuta la condizione di quantum dello strato centrale (zone gialle). I contorni di questi “hanno commutato„ le regioni fungono da legare perfetti di quantum, potenzialmente principali ai nuovi apparecchi elettronici con le perdite basse. (Accreditamento: Yan Lian, MIT.) “Per per effettuare questi calcoli per ottenere la convergenza ragionevole nei risultati, dobbiamo usare i 96 centri, a volte ancor più,„ Qian ha detto. “Ed allora li abbiamo bisogno di per 24 ore. Il calcolatore di fuga precipitosa è molto efficiente e potente. Il lavoro che siamo stati rappresentazione non è appena un materiale; abbiamo parecchi altri materiali così come le circostanze differenti. In questo senso, l'accesso alle risorse, particolarmente fuga precipitosa, è molto utile al nostro progetto.„

La grande immagine per Qian ed i suoi colleghi è la caccia per i nuovi generi di materiali con le proprietà straordinario utili. Il loro obiettivo è isolanti del Corridoio di rotazione di quantum di temperatura ambiente, che sono materiali basicamente vicino-due-dimensionali che ostruiscono il flusso corrente dappertutto tranne lungo i loro bordi. “Lungo i bordi avete la cosiddetta rotazione su flusso dell'elettrone in un senso ed allo stesso tempo avete rotazione vi scolate gli elettroni ed i flussi via nel senso opposto,„ Qian hanno spiegato. “Basicamente, potete immaginare, controllando l'iniezione degli elementi portanti di carica, uno può fornire lo spintronics, o l'elettronica.„

Gli scienziati in questo lavoro hanno proposto un transistore topologico di effetto di campo, fatto degli strati di boro esagonale intrecciati con gli strati di TMDC. “Abbiamo trovato un metodo molto conveniente per controllare la transizione di fase topologica in questi strati intermedi del Corridoio di rotazione di quantum,„ Qian ha detto. “Questo è molto importante perché una volta che abbiamo questa possibilità per controllare la transizione di fase, possiamo progettare alcuni apparecchi elettronici che possono essere controllati facilmente attraverso i campi elettrici.„

Qian ha sollecitato che questo lavoro pone la terra teorica per gli esperimenti reali futuri in laboratorio. Spera che potrebbe svilupparsi in un transistore reale adatto a calcolatore di quantum, basicamente una macchina come-ancora-irrealizzata che maneggia i dati oltre appena il paio un e degli zeri.

“Finora, non abbiamo esaminato le applicazioni dettagliate per la computazione di quantum ancora,„ Qian ha detto. “Tuttavia, è possibile unire questi materiali con i superconductors e fornire il cosiddetto modo del fermion zero del Majorana per la computazione di quantum.„