Quantum dots zijn zeer kleine deeltjes die luminescentie en elektronische eigenschappen vertonen die verschillen van die van hun bulkmaterialen. Als resultaat, ze zijn aantrekkelijk voor gebruik in zonnecellen, opto-elektronica, en kwantumcomputers. Quantum computing omvat het toepassen van een kleine spanning op kwantumdots om hun elektronenspintoestand te regelen, dus het coderen van informatie. Terwijl traditioneel computergebruik gebaseerd is op een binair informatiesysteem, elektronenspintoestanden in kwantumstippen kunnen verdere vrijheidsgraden vertonen vanwege de mogelijkheid van superpositie van beide toestanden tegelijkertijd. Deze functie zou de dichtheid van gecodeerde informatie kunnen vergroten.

Het uitlezen van de elektronenspin van quantum dots is nodig om quantum computing te realiseren. Single-shot spin-uitlezing is gebruikt om spin-afhankelijke single-electron tunneling-gebeurtenissen in realtime te detecteren. De prestaties van quantum computing kunnen aanzienlijk worden verbeterd door single-shot uitlezing van meerdere spin-toestanden.

Een Japanse onderzoekssamenwerking op basis van de Osaka University heeft nu de eerste succesvolle detectie van meerdere spintoestanden bereikt door middel van single-shot uitlezing van drie twee-elektron spintoestanden van een enkele kwantumdot. Ze rapporteerden hun bevindingen in Fysieke beoordelingsbrieven .

Om meerdere spintoestanden tegelijk uit te lezen, de onderzoekers gebruikten een kwantumpuntcontactladingssensor die in de buurt van een galliumarsenide-kwantumstip was geplaatst. De verandering in stroom van de ladingssensor was afhankelijk van de spintoestand van de kwantumdot en werd gebruikt om onderscheid te maken tussen singlet- en twee soorten triplet-spintoestanden.

"We verkregen single-shot ternaire uitlezing van twee-elektron spintoestanden met behulp van edge-state spinfiltering en het orbitale effect, "studie eerste auteur Haruki Kiyama zegt.

Dat is, de snelheid van tunneling tussen de kwantumdot en het elektronenreservoir was afhankelijk van zowel de spintoestand van de elektronen als de interactie tussen de elektronenspin en de orbitalen van de kwantumdot. Het team identificeerde een grondtoestand en twee aangeslagen toestanden in de kwantumstip met behulp van hun opstelling.

De onderzoekers gebruikten vervolgens hun ternaire uitleesopstelling om het spin-relaxatiegedrag van de drie gedetecteerde spintoestanden te onderzoeken.

"Om de geldigheid van ons uitleessysteem te bevestigen, we maten de spin-relaxatie van twee van de toestanden, " legt Kiyama uit. "Het meten van de dynamiek tussen de spintoestanden in een kwantumpunt is een belangrijke toepassing van de ternaire spin-uitleesopstelling."

De spin-relaxatietijden voor de kwantumdot gemeten met behulp van het ternaire uitleessysteem kwamen overeen met de gerapporteerde, bewijzen dat het systeem betrouwbare metingen opleverde.

Dit ternaire uitleessysteem kan worden uitgebreid tot kwantumdots die zijn samengesteld uit andere materialen, het onthullen van een nieuwe benadering om de spindynamiek van kwantumstippen te onderzoeken en een vooruitgang in de verwerking van kwantuminformatie te vertegenwoordigen.