โครงสร้างแม่เหล็กเซมิคอนดักเตอร์แบบชั้นช่วยเสริมการแปลงระหว่างไมโครเวฟและแสงในเครือข่ายควอนตัม

แม่เหล็กเซมิคอนดักเตอร์แบบชั้นช่วยแก้ปัญหาที่ท้าทายที่สุดประการหนึ่งในเครือข่ายควอนตัม นั่นคือการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างฮาร์ดแวร์ไมโครเวฟและระบบเชิงแสง นักฟิสิกส์จาก City College of New York (CCNY) ได้แสดงให้เห็นการแปลงไมโครเวฟเป็นแสงโดยใช้โครเมียมซัลไฟด์โบรไมด์ (CrSBr) การทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าคลื่นแม่เหล็กภายในวัสดุสามารถประทับสัญญาณไมโครเวฟลงบนลำแสงเลเซอร์ได้ ความก้าวหน้านี้อาจสนับสนุนการเชื่อมต่อระหว่างโปรเซสเซอร์ควอนตัมในอนาคตกับเครือข่ายเชิงแสงระยะไกล

โปรเซสเซอร์ควอนตัมจำนวนมากทำงานด้วยสัญญาณที่ความถี่ไมโครเวฟ อย่างไรก็ตาม ใยแก้วนำแสงเป็นช่องทางที่เป็นไปได้สำหรับการส่งข้อมูลในระยะทางไกล ความไม่สอดคล้องกันนี้สร้างความท้าทายทางวิศวกรรมอย่างมากในการเชื่อมต่อระบบควอนตัมเข้าด้วยกัน ตัวแปลงสัญญาณต้องแปลงข้อมูลระหว่างความถี่ต่าง ๆ โดยไม่ทำลายสัญญาณ ทีมจาก CCNY ใช้ CrSBr ในการแปลงนี้ วัสดุดังกล่าวมีโมเมนต์แม่เหล็กที่ตอบสนองแบบรวมกลุ่มเมื่อมีการป้อนสัญญาณไมโครเวฟ การเคลื่อนที่รวมกลุ่มเหล่านี้สร้างอนุภาคเสมือนที่เรียกว่าแมกนอน (magnons) จากนั้นคลื่นแม่เหล็กจะทำปฏิกิริยากับเอกซิตอนภายในสารกึ่งตัวนำ

การก่อตัวและบทบาทของเอกซิตอน

เอกซิตอนเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนจับคู่กับโฮล นอกจากนี้ยังมีปฏิกิริยาอย่างเข้มข้นกับแสงใกล้กับเรโซแนนซ์เชิงแสงเฉพาะ ปฏิกิริยานี้ทำให้การเคลื่อนที่ของแม่เหล็กที่ขับเคลื่อนด้วยไมโครเวฟสามารถส่งผลต่อลำแสงเลเซอร์ที่สะท้อนออกมา ทำให้สัญญาณแสงสามารถติดตามการกระตุ้นด้วยไมโครเวฟต้นทางได้อย่างสอดคล้อง

นักวิจัยวัดการแปลงภายใต้แบนด์วิดท์ไมโครเวฟประมาณ 300 เมกะเฮิรตซ์ นอกจากนี้ยังปรับความถี่ในการทำงานโดยการป้อนสนามแม่เหล็กภายนอก รายละเอียดที่น่าสังเกตเป็นพิเศษจากมุมมองทางวิศวกรรมคือ ทีมงานใช้ผลึกขนาดใหญ่ก้อนเดียวบรรลุผลดังกล่าวโดยไม่ต้องใช้เรโซเนเตอร์ เรโซเนเตอร์เชิงแสงและไมโครเวฟสามารถเพิ่มปฏิกิริยาในระบบแปลงความถี่ได้ การตัดส่วนประกอบเหล่านี้ออกช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการพัฒนาอุปกรณ์ในระยะเริ่มต้น CrSBr ยังมีโครงสร้างแบบชั้นซึ่งช่วยให้วิศวกรสามารถลดขนาดอุปกรณ์ในอนาคตได้

นักวิจัยสามารถลดขนาดวัสดุให้เหลือเพียงไม่กี่ชั้น โดยยังคงคุณสมบัติทางแม่เหล็กและเชิงแสงไว้ได้

ความท้าทายของอินเทอร์เฟซควอนตัมในอนาคต

งานวิจัยนี้นำโดย Pratap Chandra Adak นักวิจัยหลังปริญญาเอกจากทีมของ Vinod M. Menon เขากล่าวว่าโครงสร้างของวัสดุนี้เปิดโอกาสให้เกิดปฏิกิริยาที่แรงขึ้นและการบูรณาการที่กระชับยิ่งขึ้น งานวิจัยนี้ดำเนินการภายใต้การนำของ Menon ที่ห้องปฏิบัติการนาโนและไมโครโฟโตนิกส์ของ CCNY แม้ว่าการทดลองจะแสดงกลไกการแปลงทางฟิสิกส์ แต่ยังไม่มีการถ่ายโอนสถานะควอนตัมแต่ละสถานะ ความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากการสื่อสารควอนตัมต้องการประสิทธิภาพที่สูงมาก กระบวนการแปลงยังต้องเพิ่มสัญญาณรบกวนเพิ่มเติมให้น้อยที่สุดอีกด้วย

นักวิจัยระบุวิธีการหลายประการในการปรับปรุงระบบ การใช้ชั้น CrSBr ที่บางลงสามารถเพิ่มปฏิกิริยาภายในอุปกรณ์ขนาดเล็กได้ เรโซเนเตอร์ไมโครเวฟและโพรงเชิงแสงคุณภาพสูงสามารถเป็นอีกแนวทางหนึ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการแปลง ทีมงานยังชี้ให้เห็นว่าเอกซิตอน-โพลาริตอน (excitons-polaritons) อาจเป็นอีกวิธีหนึ่งในการจัดการกับการสูญเสียเชิงแสง

Menon กล่าวว่า CrSBr ผสานปฏิกิริยาเชิงแสงที่รุนแรงเข้ากับคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ความถี่ไมโครเวฟไว้ในผลึกก้อนเดียวกัน การขยายการศึกษาวัสดุแม่เหล็กแบบชั้นอาจเปิดเผยส่วนผสมอื่น ๆ ที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์โฟโตนิก-แม่เหล็ก ความท้าทายทางวิศวกรรมในลำดับถัดไปคือการเปลี่ยนการสาธิตในห้องปฏิบัติการให้เป็นอินเทอร์เฟซควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสูง ขั้นตอนนี้จะเป็นตัวกำหนดความเป็นไปได้ในการนำวัสดุดังกล่าวไปใช้ในเครือข่ายควอนตัมแห่งอนาคต งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Materials