Een team van natuurkundigen van het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) in Berlijn, Duitsland, NTT-basisonderzoekslaboratoria in Atsugi, Japan, en het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) heeft een scanning tunneling microscoop gebruikt om kwantumdots te creëren met identieke, deterministische maten. De perfecte reproduceerbaarheid van deze stippen opent de deur naar quantum dot-architecturen die volledig vrij zijn van ongecontroleerde variaties, een belangrijk doel voor technologieën van nanofotonica tot kwantuminformatieverwerking en voor fundamentele studies. De volledige bevindingen zijn gepubliceerd in het juli 2014 nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Quantum dots worden vaak beschouwd als kunstmatige atomen omdat, als echte atomen, ze beperken hun elektronen tot gekwantiseerde toestanden met discrete energieën. Maar de analogie valt snel uiteen, want hoewel echte atomen identiek zijn, kwantumstippen bestaan ​​meestal uit honderden of duizenden atomen - met onvermijdelijke variaties in hun grootte en vorm en, bijgevolg, in hun eigenschappen en gedrag. Externe elektrostatische poorten kunnen worden gebruikt om deze variaties te verminderen. Maar het ambitieuzere doel om kwantumstippen te creëren met intrinsiek perfecte getrouwheid door statistische variaties in hun grootte volledig te elimineren, vorm, en arrangement is lang ongrijpbaar gebleven.

Om atomair nauwkeurige kwantumstippen te maken, moet elk atoom zonder fouten op een nauwkeurig gespecificeerde locatie worden geplaatst. Het team verzamelde de stippen atoom voor atoom, met behulp van een scanning tunneling microscoop (STM), en vertrouwde op een atomair nauwkeurige oppervlaktesjabloon om een ​​rooster van toegestane atoomposities te definiëren. De sjabloon was het oppervlak van een InAs-kristal, die een regelmatig patroon van indiumvacatures heeft en een lage concentratie van natieve indiumadatomen die boven de vacaturesites zijn geadsorbeerd. De adatoms zijn geïoniseerde +1 donoren en kunnen met de STM-tip worden verplaatst door verticale atoommanipulatie. Het team verzamelde kwantumstippen bestaande uit lineaire ketens van N =6 tot 25 indiumatomen; het hier getoonde voorbeeld is een keten van 22 atomen.

Stefan Fölsch, een fysicus bij de PDI die het team leidde, legde uit dat "de geïoniseerde indium-adatomen een kwantumpunt vormen door een elektrostatische put te creëren die elektronen opsluit die normaal geassocieerd zijn met een oppervlaktetoestand van het InAs-kristal. De gekwantiseerde toestanden kunnen vervolgens worden onderzocht en in kaart worden gebracht door tunnelspectroscopiemetingen van de differentiële geleiding te scannen." Deze spectra tonen een reeks resonanties die worden aangeduid met het hoofdkwantumgetal n. Ruimtelijke kaarten onthullen de golffuncties van deze gekwantiseerde toestanden, die n lobben en n - 1 knopen langs de keten hebben, precies zoals verwacht voor een kwantummechanisch elektron in een doos. Voor het voorbeeld van een 22-atoomketen geldt de toestanden tot n =6 worden weergegeven.

Omdat de indiumatomen strikt beperkt zijn tot het reguliere rooster van lege plekken, elke kwantumstip met N-atomen is in wezen identiek, zonder intrinsieke variatie in grootte, vorm, of positie. Dit betekent dat kwantumdot-"moleculen" die uit verschillende gekoppelde ketens bestaan, dezelfde invariantie zullen weerspiegelen. Steve Erwin, een natuurkundige bij NRL en de theoreticus van het team, wees erop dat "dit de taak van het creëren, beschermen, en het beheersen van gedegenereerde toestanden in quantum dot-moleculen, wat een belangrijke voorwaarde is voor veel technologieën." In kwantumcomputing, bijvoorbeeld, qubits met dubbel gedegenereerde grondtoestanden bieden bescherming tegen omgevingsdecoherentie. Door de onveranderlijkheid van quantum dot-moleculen te combineren met de intrinsieke symmetrie van het InAs-vacaturerooster, het team creëerde gedegenereerde toestanden die verrassend resistent zijn tegen verstoringen van het milieu door defecten. In het hier getoonde voorbeeld, een molecuul met perfecte drievoudige rotatiesymmetrie werd voor het eerst gemaakt en de tweevoudige gedegenereerde toestand ervan werd experimenteel aangetoond. Door opzettelijk de symmetrie te doorbreken, het team ontdekte dat de degeneratie geleidelijk werd verwijderd, het voltooien van de demonstratie.

De reproduceerbaarheid en hoge betrouwbaarheid die deze kwantumstippen bieden, maakt ze uitstekende kandidaten voor het bestuderen van fundamentele fysica die doorgaans wordt verduisterd door stochastische variaties in grootte, vorm, of positie van de kettingen. Ergens naar uitkijken, het team verwacht ook dat de eliminatie van ongecontroleerde variaties in quantum dot-architecturen veel voordelen zal bieden voor een breed scala aan toekomstige quantum dot-technologieën waarin betrouwbaarheid belangrijk is.