Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben voor het eerst een nieuw paar kwantumstippen gemaakt en afgebeeld - kleine eilandjes van beperkte elektrische lading die werken als interagerende kunstmatige atomen. Dergelijke "gekoppelde" kwantumdots zouden kunnen dienen als een robuuste kwantumbit, of qubit, de fundamentele eenheid van informatie voor een kwantumcomputer. Bovendien, de patronen van elektrische lading op het eiland kunnen niet volledig worden verklaard door de huidige modellen van de kwantumfysica, biedt de mogelijkheid om rijke nieuwe fysische fenomenen in materialen te onderzoeken.

In tegenstelling tot een klassieke computer, die vertrouwt op binaire bits die slechts een van de twee vaste waarden hebben - "1" of "0" - om geheugen op te slaan, een kwantumcomputer zou informatie opslaan en verwerken in qubits, die tegelijkertijd een veelheid aan waarden kunnen aannemen. Daarom, ze zouden veel groter kunnen presteren, complexere bewerkingen dan klassieke bits en hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in computergebruik.

Elektronen draaien om het centrum van een enkele kwantumstip, vergelijkbaar met de manier waarop ze om atomen draaien. De geladen deeltjes kunnen alleen bepaalde toegestane energieniveaus innemen. Op elk energieniveau een elektron kan een reeks mogelijke posities in de stip innemen, het opsporen van een baan waarvan de vorm wordt bepaald door de regels van de kwantumtheorie. Een paar gekoppelde kwantumdots kan een elektron ertussen delen, een qubit vormen.

Om de kwantumstippen te fabriceren, het door NIST geleide team, waaronder onderzoekers van de Universiteit van Maryland NanoCenter en het National Institute for Materials Science in Japan, gebruikte de ultrascherpe punt van een scanning tunneling microscoop (STM) alsof het een stylus was van een Etch A Sketch. De punt boven een ultrakoude laag grafeen laten zweven (een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon), de onderzoekers verhoogden kort de spanning van de tip.

Het elektrische veld dat door de spanningspuls wordt gegenereerd, drong door het grafeen naar een onderliggende laag boornitride, waar het elektronen ontdaan van atomaire onzuiverheden in de laag en een opeenhoping van elektrische lading creëerde. De pileup bracht vrij zwevende elektronen in het grafeen bijeen, ze beperken tot een kleine energiebron.

Maar toen het team een ​​magnetisch veld van 4 tot 8 tesla aanbracht (ongeveer 400 tot 800 keer de sterkte van een kleine staafmagneet), het veranderde drastisch de vorm en verdeling van de banen die de elektronen konden innemen. In plaats van een enkele put, de elektronen bevonden zich nu binnen twee sets van concentrische, dicht bij elkaar liggende ringen in de oorspronkelijke put gescheiden door een kleine lege schaal. De twee sets ringen voor de elektronen gedroegen zich nu alsof ze zwak gekoppelde kwantumstippen waren.

Dit is de eerste keer dat onderzoekers het binnenste van een gekoppeld kwantumpuntsysteem zo diep hebben onderzocht, beeldvorming van de verdeling van elektronen met atomaire resolutie (zie afbeelding), merkte NIST-co-auteur Daniel Walkup op. Om afbeeldingen met hoge resolutie en spectra van het systeem te maken, het team profiteerde van een speciale relatie tussen de grootte van een kwantumstip en de afstand tussen de energieniveaus die worden ingenomen door de in een baan om de aarde draaiende elektronen:hoe kleiner de stip, hoe groter de afstand, en hoe gemakkelijker het is om onderscheid te maken tussen aangrenzende energieniveaus.

In een eerdere quantum dot-studie met grafeen, het team paste een kleiner magnetisch veld toe en vond een structuur van ringen, lijkt op een bruidstaart, gecentreerd op een enkele kwantumstip, wat de oorsprong is van de concentrische kwantumdotringen. Door de STM-tip te gebruiken om stippen te construeren met ongeveer de helft van de diameter (100 nanometer) van stippen die ze eerder hadden bestudeerd, de onderzoekers slaagden erin de volledige structuur van het gekoppelde systeem te onthullen.

Het team, waaronder Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez en Joseph Stroscio bij NIST en het Maryland NanoCenter, beschrijft zijn bevindingen vandaag in Fysieke beoordeling B .

De manier waarop de elektronen worden gedeeld tussen de twee gekoppelde stippen kan niet worden verklaard door geaccepteerde modellen van de kwantumdotfysica, zei Walkup. Deze puzzel kan belangrijk zijn om op te lossen als gekoppelde kwantumdots uiteindelijk worden gebruikt als qubits in kwantumcomputers, merkte Stroscio op.