عایق های توپولوژیکی (Topological insulators): عایق های توپولوژیکی گروهی از مواد جدیداً کشف شده ای هستند که در درون خود عایق دار هستند اما دارای حالت های سطحی هدایت کننده هستند. پیش بینی می شود که این حالت های سطحی دارای خاصیت ویژه ای هستند که چرخش حامل های الکتریکی با تکانه حامل ها مرتبط است. این وضعیت، که در آن چرخش و تکانه باید در زاویه مناسبی نسبت به هم قرار گرفته باشند، به شدت ساز و کارهای موجود برای جدا کردن حامل ها و نیرو رسانی را کاهش می دهد. این موضوع حاکی از آن است که دستیابی به عایق های توپولوژیکی می تواند به تولید دستگاه های الکترونیکی کم مصرف منجر شود که از این حالت های سطحی هدایت کننده استفاده می کنند. عایق های توپولوژیکی در حال حاضر یکی از داغ ترین موضوعات پژوهشی در فیزیک و علم مواد است؛ با این وجود، لازم است که امیدهای خود برای دستیابی به این مواد را تعدیل کنیم، با وجود این حقیقت که ما هنوز نمی دانیم که فرضیه های کلی عایق های توپولوژیکی تا چه اندازه می توانند در سیستم های مواد واقعی مانند Bi2Se3 به واقعیت تبدیل شوند.
چند فروئیک ها (Multiferroics): چند فروئیک ها گروهی از مواد هستند که مدت ها بر روی آنها مطالعه شده است؛ با این وجود، اخیراً برای ساخت نرم افزارهای بالقوه ذخیره اطلاعات گرایش جدیدی نسبت به آنها ایجاد شده است. به طور خلاصه، چند فروئیک ها موادی هستند که چندین نوع توالی گسترده را بروز می دهند، مانند فرومغناطیس و فروالکتریک. در بسیاری از ترکیب ها، مانند BiFeO3، اتصالی بین توالی های الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد، به گونه ای که ویژگی های مغناطیسی می توانند با میدان های الکتریکی کنترل شوند. همچنین پژوهشگران به دنبال دستگاه هایی بر پایه اتصال بین مواد فروالکتریک در مجاورت نزدیک به مواد فرومغناطیس هستند. دستیابی به کنترل میدان الکتریکی فرومغناطیس نوید بخش تولید دستگاه های الکترونیکی کم مصرف است. اطلاعات مغناطیسی به طور گسترده برای ذخیره اطلاعات به کار می رود (هارد درایوها)، اگرچه نوشتن اطلاعات مغناطیسی اغلب مستلزم مصرف انرژی زیاد برای ایجاد میدان های مغناطیسی است. اگر به جای آن، اطلاعات مغناطیسی از طریق میدان های الکتریکی نوشته شود، می تواند به تولید دستگاه های الکترونیکی کم مصرف کمک کند.
من باید یادآوری کنم که ایده های کلی کنترل مغناطیس با میدان های الکتریکی و استفاده از حالت های چرخش برای دستگاه های الکترونیکی نتیجه پیگیری ۲۰ ساله اخیر در زمینه اسپینترونیک (کنترل چرخش الکترون) است.
اتم های فراسرد در شبکه های بصری: این مورد کمی غیر عملی است اما پژوهشگران در زمینه فیزیک اتمی به طور پیوسته در ساخت مواد “طراح” با استفاده از اتم های بسیار سرد به دام افتاده توسط پرتو های لیزر در حال پیشرفت هستند. پژوهشگران از طریق تداخل پرتوهای لیزر انتشار معکوس قادر هستند تا یک پتانسیل تناوبی ایجاد کنند که می تواند اتم ها را در کمینه های پتانسیل به دام بیندازد. نتیجه ترتیب تناوبی اتم ها مشابه جامدات بلوری موجود در زندگی روزمره است. مزیت این نگرش این است که ساخت شبکه های بصری مستلزم آزادی قابل توجه در آماده سازی ویژگی های شبکه و همچنین مستلزم کنترل تعاملات بین اتم ها است. امید این است که این کنترل به پژوهشگران اجازه دهد تا مواد جدید را شبیه سازی کنند و پدیده های حالت جامد مانند مغناطیس یا ابررسانایی را بهتر درک کنند. دو مثال واقعی در این باره شامل طرح های پیشنهادی برای به دست آوردن ” فازهای کریستال مایع کوانتومی ” از ماده ای با اتم های فراسرد در یک حفره بصری است، و همچنین آزمایشاتی که با استفاده از اتم های فراسرد تحت تاثیر پرتوهای لیزر تعاملات چرخش- مدار را اثبات کرده اند، که در نیمه رساناهای III-V مانند GaAs و نیز عایق های توپولوژیکی اهمیت دارند. احمقانه است که فکر کنیم می توانیم از طریق شبیه سازی مواد مشابه از نظر فنی ( مانند GaAs یا Bi2Se3 ) با اتم های فراسرد چیزهای جدیدی یاد بگیریم!
موادی برای کامپیوترهای کوانتومی: موضوع کامپیوترهای کوانتومی یک موضوع پژوهشی مهم در فیزیک مدرن است. به نظر من یک جنبه اغلب نادیده گرفته شده در این پژوهش میزان نقش علم مواد است، به ویژه در پیاده سازی حالت جامد کامپیوترهای کوانتومی. ساختن یک کامپیوتر کوانتومی نیازمند توانایی در مهندسی تعاملات بین مجموعه مشخصی از اتم ها یا الکترون ها و به طور همزمان متوقف کردن تعاملات بین آن اتم ها یا الکترون ها و سراسر محیط آنها است ( که ممکن است شامل تقریباً چند میلیارد تا تعداد عدد آووگادرو از ذرات باشد). این یک مشکل بسیار بزرگ است و مسئله ای است که علم مواد نقش اصلی را در آن ایفا می کند. برای مثال، پژوهشگران در آلمان اخیراً نشان داده اند که بازه های زمانی که طی آن چرخش های الکترونیک منفرد در یک کریستال الماس به دام افتاده اند می توانند افزایش حالت های کوانتومی به دقت آماده شده توسط یک مرتبه بزرگی را حفظ کنند، وقتی که شبکه الماس طوری مهندسی شده تا در مقایسه با ۹۹% ۱۲C + 1% 13C نرمال خود، دارای ۱۰۰% ۱۲C باشد. داشتن حالت های کوانتومی طولانی مدت تر چشم اندازهای دستیابی به هرگونه از کامپیوترهای کوانتومی را بهبود می بخشد.
