חוקרי הטכניון מאירים לראשונה את האקסיטון האפל

המחקר פורסם בכתב העת Nature Physics * האקסיטון האפל הוא עירור יסודי של מוליך למחצה שאיננו מגיב לאור; הגילוי עשוי להוות יישום חשוב בדרך לעיבוד אינפורמציה קוונטית

חוקרי הטכניון מצאו לראשונה דרך להגיע בעזרת אור לאקסיטון האפל. לעבודתם , שהתפרסמה בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Physics, עשויים להיות יישומים שיהוו שלב נוסף בדרך לחישוב ולעיבוד אינפורמציה קוונטית.

פרופסור דוד גרשוני והדוקטורנטים אילון פועם וירון קודריאנו מהפקולטה לפיסיקה, מסבירים כי האקסיטון האפל הוא מצב מעורר של מוליך למחצה שאיננו מגיב לאור. “כאשר מתרחש עירור אלקטרוני במוליך למחצה, עובר אלקטרון (אשר מטענו החשמלי שלילי) מפס הערכיות הנמוך באנרגיה ומלא באלקטרונים, לפס ההולכה הגבוה באנרגיה וריק מאלקטרונים. האלקטרון החסר בפס הערכיות נקרא “חור” ומטענו החשמלי הינו חיובי. בין האלקטרון לבין החור הם אומרים, יש משיכה חשמלית הקושרת ביניהם. אלקטרון וחור קשורים נקראים אקסיטון. לאלקטרון יש דרגת חופש קוואנטית המשולה לסיבוב סביב צירו הנקראת “ספין”. אם הספין של החור, כמו מטענו, הפוך בכיוונו לכיוון הספין של האלקטרון, האלקטרון יכול לחזור לפס הערכיות תוך פליטת האנרגיה העודפת שלו בצורת אור (“פוטון”) והוא נקרא אקסיטון בהיר. אך אם הספין של החור מקביל בכיוונו לספין של האלקטרון, חזרה שכזאת אסורה, לא תתכן פליטת אור והאקסיטון נקרא אקסיטון אפל. כאשר פליטת אור מותרת היא מתרחשת במהירות רבה, כך שהאקסיטון הבהיר חי לא יותר מאשר מיליארדית של שניה. אולם כאשר התהליך אסור זמן החיים של האקסיטון (האפל) ארוך כמעט פי אלף.

הספין הכולל של האקסיטון האפל נקבע על ידי סכום הספינים של האלקטרון ושל החור והוא יכול להיות מכוון כלפי מעלה (אחד לוגי של ביט אינפורמציה) או כלפי מטה (אפס לוגי). אולם בתורת הקוונטים מצב הספין האמיתי מתואר על ידי קומבינציה של שני מצבים אלה. משום כך אצורה במצב הספין אינפורמציה רבה הרבה יותר מאשר בביט אינפורמציה קלסי והוא יכול לשמש כביט אינפורמציה קוונטית או “קיוביט”. הטכנולוגיה העתידית הנקראת עיבוד אינפורמציה קוואנטית ובכלל זה המחשוב הקוולנטי, מבוססת על היכולת ליישם קיוביטים.

חוקרי הטכניון מצאו דרך חדשה ל”כתוב” את מצב הספין של האקסיטון האפל ול”קרוא” אותו באמצעות אור. הם הצליחו להכין אקסיטון אפל בנקודה קוואנטית של מוליך למחצה במצב ספין ידוע ומסויים ואחר כך גם לעקוב אחר ההתפתחות הזמנית של מצב הספין. “מדדנו לראשונה את הקצב בו מתנודד הספין של האקסיטון האפל בין שני מצביו העצמיים”, הם אומרים.

לתגלית של חוקרי הטכניון יש ערך מדעי רב בשל ראשוניותו של המחקר. התגלית עשויה להוות גם אבן דרך יישומית, שכן האקסיטון האפל בשל אורך חייו הרב, הנייטראליות החשמלית שלו, ואי רגישותו להפרעות סביבתיות עשויות להיות יתרונות לשימוש כקיוביט לצורכי עיבוד מידע קוונטי ואכסונו. השימוש בנקודות קוונטיות של מוליכים למחצה הוא אטרקטיבי במיוחד לצרכים אלה, שכן מוליכים למחצה ומבנים ננומטריים בתוכם מתאימים במיוחד לטכנולוגיות עיבוד המידע, התקשורת והמחשוב, המבוססות עליהם באופן מוחלט.