In een kleine kwantumgevangenis, elektronen gedragen zich heel anders in vergelijking met hun tegenhangers in de vrije ruimte. Ze kunnen alleen discrete energieniveaus innemen, net als de elektronen in een atoom - om deze reden, dergelijke elektronengevangenissen worden vaak "kunstmatige atomen" genoemd. Kunstmatige atomen kunnen ook eigenschappen hebben die verder gaan dan die van conventionele, met het potentieel voor vele toepassingen, bijvoorbeeld in quantum computing. Dergelijke extra eigenschappen zijn nu aangetoond voor kunstmatige atomen in het koolstofmateriaal grafeen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , het project was een samenwerking van wetenschappers van de TU Wien (Wenen, Oostenrijk), RWTH Aken (Duitsland) en de Universiteit van Manchester (GB).

Kunstmatige atomen bouwen

"Kunstmatige atomen openen nieuwe, spannende mogelijkheden, omdat we hun eigenschappen direct kunnen afstemmen", zegt professor Joachim Burgdörfer (TU Wien, Wenen). In halfgeleidermaterialen zoals galliumarsenide, Het is al aangetoond dat het vangen van elektronen in kleine opsluitingen mogelijk is. Deze structuren worden vaak "quantum dots" genoemd. Net als in een atoom, waar de elektronen alleen in bepaalde banen om de kern kunnen cirkelen, elektronen in deze kwantumstippen worden in discrete kwantumtoestanden gedwongen.

Nog interessantere mogelijkheden worden geopend door grafeen te gebruiken, een materiaal bestaande uit een enkele laag koolstofatomen, die de afgelopen jaren veel aandacht heeft gekregen. "Bij de meeste materialen elektronen kunnen bij een gegeven energie twee verschillende kwantumtoestanden innemen. De hoge symmetrie van het grafeenrooster maakt vier verschillende kwantumtoestanden mogelijk. Dit opent nieuwe wegen voor de verwerking en opslag van kwantuminformatie", legt Florian Libisch van de TU Wien uit. het creëren van goed gecontroleerde kunstmatige atomen in grafeen bleek een enorme uitdaging.

Vooruitstrevend is niet genoeg

Er zijn verschillende manieren om kunstmatige atomen te maken:de eenvoudigste is om elektronen in kleine vlokken te plaatsen, uitgesneden uit een dunne laag van het materiaal. Hoewel dit werkt voor grafeen, de symmetrie van het materiaal wordt verbroken door de randen van de vlok die nooit perfect glad kunnen zijn. Bijgevolg, de speciale viervoudige veelvoud van toestanden in grafeen wordt teruggebracht tot de conventionele tweevoudige.

Daarom, Er moesten verschillende manieren worden gevonden:Het is niet nodig om kleine grafeenvlokken te gebruiken om elektronen te vangen. Slimme combinaties van elektrische en magnetische velden is een veel betere optie. Met de punt van een scanning tunneling microscoop, lokaal kan een elektrisch veld worden aangelegd. Op die manier, een klein gebied wordt gecreëerd binnen het grafeenoppervlak, waarin laagenergetische elektronen kunnen worden opgesloten. Tegelijkertijd, de elektronen worden in kleine cirkelvormige banen gedwongen door een magnetisch veld aan te leggen. "Als we alleen een elektrisch veld zouden gebruiken, kwantumeffecten zorgen ervoor dat de elektronen snel de val kunnen verlaten", legt Libisch uit.

De kunstmatige atomen werden gemeten bij de RWTH Aken door Nils Freitag en Peter Nemes-Incze in de groep van professor Markus Morgenstern. Simulaties en theoretische modellen werden ontwikkeld aan de TU Wien (Wenen) door Larisa Chizhova, Florian Libisch en Joachim Burgdörfer. Het uitzonderlijk schone grafeenmonster kwam van het team rond Andre Geim en Kostya Novoselov uit Manchester (GB) - deze twee onderzoekers kregen in 2010 de Nobelprijs voor het maken van grafeenvellen voor de eerste keer.

De nieuwe kunstmatige atomen openen nu nieuwe mogelijkheden voor veel kwantumtechnologische experimenten:"Vier gelokaliseerde elektronentoestanden met dezelfde energie maken het mogelijk om te schakelen tussen verschillende kwantumtoestanden om informatie op te slaan", zegt Joachim Burgdörfer. De elektronen kunnen gedurende lange tijd willekeurige superposities behouden, ideale eigenschappen voor kwantumcomputers. In aanvulling, de nieuwe methode heeft het grote voordeel van schaalbaarheid:het moet mogelijk zijn om veel van dergelijke kunstmatige atomen op een kleine chip te passen om ze te gebruiken voor kwantuminformatietoepassingen.