Kvantová elektronika v křemíku a diamantu

Současná elektronika je z velké části založená na křemíkových čipech, v nichž se informace přenáší a zpracovává ve formě elektrického náboje elektronů vedoucích elektrický proud. V nedávné době se ovšem objevila myšlenka využívat kromě náboje elektronů také jejich kvantový stav určený energetickým minimem (údolím) ve vodivostním pásu, ve kterém se nacházejí.

Tým Martina Kozáka vyvinul optickou metodu, která umožňuje zakódovat a přečíst informaci v čistých krystalech křemíku a diamantu pomocí manipulace s populacemi elektronů v jednotlivých údolích.

„Kvantová teorie nám říká, že mikroskopické částice se mohou chovat jako vlny. Naše nová metoda je založená na manipulaci s kvantovým stavem elektronů v krystalech pomocí jejich osvitu infračerveným světlem ve formě krátkých pulzů. Ukazuje se, že pokud elektrony rozkmitáme elektrickým polem pulzu v určitém směru, dochází k jejich přeuspořádání v tzv. reciprokém prostoru a jsme schopni ovládat směr jejich vlnového vektoru, který je možné použít jako bit informace,“ popisuje doc. Kozák.

Metoda umožňuje manipulaci s kvantovým stavem elektronů v krystalech křemíku a diamantu pomocí osvitu infračerveným světlem

Křemík je nejdůležitějším polovodičem v technologickém průmyslu, kromě jiného se z něj vyrábí například mikroprocesory počítačů nebo solární články. I přes dlouholetý výzkum však dosud nebylo možné využít v křemíku kvantový stav elektronů, protože neexistoval způsob, jakým by se dal účinně ovládat a detekovat. Právě to teď umožňuje nová metoda vyvinutá týmem doc. Kozáka. Ta navíc také dokáže stav elektronů přepnout během několika desítek femtosekund a při pokojové teplotě.

Studie je součástí projektu eWaveShaper, na který doc. Kozák získal v roce 2022 prestižní ERC Starting Grant. Cílem tohoto výzkumu je vývoj nových metod umožňujících ultrarychlou kontrolu a zobrazování pohybů elektronů v pevných látkách pomocí světla a pulzních elektronových svazků.

„Elektrony bohužel nezůstávají ve stavu s určitým vlnovým vektorem příliš dlouho. Naším cílem je nyní hledání materiálů a podmínek, za kterých je doba tzv. údolní polarizace elektronů co nejdelší, aby bylo možné tento stav využít pro přenos a zpracování informace,“ nastiňuje doc. Kozák směr dalšího výzkumu.

Odkaz na studii:

Gindl, A., Čmel, M., Trojánek, F. et al. Ultrafast room-temperature valley manipulation in silicon and diamond. Nat. Phys. (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-025-02862-4

OPMK, úvodní foto Hynek Glos