研究人员展示了一种利用不可见材料特性诱发有用缺陷的新方法

许多现代电子和计算技术都基于一个想法：向半导体添加化学杂质或缺陷以改变其导电能力。然后将这些改变后的材料以不同的方式组合起来，生产出构成数字计算、晶体管和二极管基础的设备。事实上，一些量子信息技术基于类似的原理：在材料中添加缺陷和特定原子可以产生量子位，即量子计算的基本信息存储单元。

伊利诺伊大学香槟分校机械科学与工程教授、伊利诺伊量子信息科学与技术中心成员GauravBahl正在探索工程材料中的特殊非线性特性如何在无需有意添加的情况下实现类似的功能缺陷。

正如他的研究小组在发表于《物理评论快报》的文章“非线性谐振器链中的自感应狄拉克边界态和数字化”中所报告的那样，超材料可以根据输入的功率水平自行改变其功能。

超材料是一种人工系统，可以复制由天然原子构成的真实材料的行为。研究人员构建了这样一种材料，其行为类似于一种称为狄拉克材料的特殊半导体。它由一系列磁机械谐振器组成，其中磁相互作用就像一维晶体中原子之间的键。当这些“原子”中的任何一个被机械激发时，也就是说，被周期性地移动时，激发会传播到晶体的其余部分，就像电子注入半导体一样。

在证明完全均匀的狄拉克超材料不允许机械激发通过(就像电子被禁止流过绝缘半导体一样)后，研究人员在系统中引入了一组特定的非线性。这种新特性增加了对机械激发水平的敏感性，并且可以微妙地改变磁机械原子的共振能量。通过正确选择非线性，研究人员观察到从绝缘行为到导电行为的急剧转变，这取决于提供的输入强度。

这种有趣的行为源于新边界的自发出现，其中机械激发的有效质量(狄拉克材料的不可见内部属性)根据激发​​水平经历了符号变化。研究人员惊讶地发现，这个边界伴随着一种新的状态，这种状态在边界处“突然出现”，并允许输入能量通过材料传输。这种效应与缺陷原子在半导体中的作用非常相似

“在光子学和电子学中，”Bahl说，“像这样的非线性特性可以被设计成不依赖于传统半导体方法的新计算系统的基础。”

每当我们添加缺陷态和特殊原子时，我们都会破坏材料的均匀性，这会导致其他不良影响。然而，可以通过一种不可见的特性按需形成缺陷态的材料，例如这项工作中使用的狄拉克质量，对量子信息系统具有深远的影响，它们承诺可以在需要的地方动态产生量子比特。下一个挑战是寻找或合成基于可以复制这种效果的天然原子的真实材料。

实验由物理学研究生刘庚明与博士后JihoNoh博士和MechSE研究生赵嘉宁合作完成。