Twee nieuwe materialen, elk samengesteld uit een enkele atomaire laag en de punt van een scanning tunneling microscoop, zijn de ingrediënten voor een nieuw soort quantum dot. Deze extreem kleine nanostructuren maken een delicate controle van individuele elektronen mogelijk door hun energieniveaus rechtstreeks te verfijnen. Dergelijke apparaten zijn essentieel voor moderne kwantumtechnologieën.

De theoretische simulaties voor de nieuwe technologie zijn uitgevoerd in het team van prof. Florian Libisch en prof. Joachim Burgdörfer van de TU Wien. Bij het experiment waren de groep van prof. Markus Morgenstern van RWTH Aken en het team rond Nobelprijswinnaars Andre Geim en Kostya Novoselov uit Manchester betrokken, die de monsters heeft voorbereid. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Voor veel toepassingen op het gebied van kwantumtechnologieën, we hebben een kwantumsysteem nodig waarin elektronen twee toestanden bezetten, aan of uit, met het verschil dat de kwantumfysica ook willekeurige superposities van de aan en uit toestanden toelaat, " legt Florian Libisch van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien uit.

Een belangrijke eigenschap van dergelijke systemen is het energieverschil tussen de twee kwantumtoestanden:"Het efficiënt manipuleren van de informatie die is opgeslagen in de kwantumtoestand van de elektronen vereist een perfecte controle van de systeemparameters. Een ideaal systeem maakt het mogelijk om het energieverschil continu af te stemmen van nul tot een grote waarde, ' zegt Libisch.

Voor systemen die in de natuur worden aangetroffen, bijvoorbeeld atomen - dit is meestal moeilijk te realiseren. De energieën van atomaire toestanden, en vandaar hun verschillen, zijn gefixt. Het afstemmen van energieën wordt mogelijk in synthetische nanostructuren die zijn ontworpen om elektronen te beperken. Dergelijke structuren worden vaak kwantumdots genoemd, of 'kunstmatige atomen'.

Het internationale onderzoeksteam van TU Wien, RWTH Aachen en de Universiteit van Manchester zijn erin geslaagd een nieuw type kwantumstippen te ontwikkelen die veel nauwkeuriger en breder afstembare energieniveaus van opgesloten elektronen mogelijk maken dan voorheen. Dit werd mogelijk gemaakt door twee zeer bijzondere materialen te combineren:grafeen, een geleidende enkelvoudige atoomlaag van koolstofatomen, en hexagonaal boornitride, ook een enkele laag materiaal die sterk lijkt op grafeen, behalve dat het isolerend is.

Precies zoals grafeen, boornitride vormt ook een honingraatrooster. "De honingraten in grafeen en hexagonaal boornitride zijn, echter, niet precies even groot, " legt Florian Libisch uit. "Als je voorzichtig een enkele laag grafeen op hexagonaal boornitride legt, de lagen kunnen niet perfect overeenkomen. Deze kleine mismatch creëert een bovenbouw over afstanden van enkele nanometers, wat resulteert in een extreem regelmatige golfachtige ruimtelijke oscillatie van de grafeenlaag uit het perfecte vlak."

Zoals de uitgebreide simulaties op de TU Wien laten zien, deze exacte oscillaties in grafeen op hexagonaal boornitride vormen de ideale steiger om elektronenenergieën te beheersen. Het potentiële landschap dat door de reguliere bovenbouw wordt gecreëerd, maakt het mogelijk om de kwantumdot nauwkeurig te plaatsen, of zelfs continu bewegen en zo soepel van eigenschappen veranderen. Afhankelijk van de exacte positie van de punt van de scanning tunneling microscoop, de energieniveaus van de elektronische toestanden binnen de kwantumstip veranderen. "Een verschuiving met enkele nanometers maakt het mogelijk om het energieverschil van twee aangrenzende energieniveaus met hoge nauwkeurigheid te veranderen van min vijf naar plus tien milli-elektronvolt - een afstembereik dat ongeveer 50 keer groter is dan voorheen mogelijk was, " legt Florian Libisch uit.

Als volgende stap, de punt van de scanning tunneling microscoop zou kunnen worden vervangen door een reeks nano-elektronische poorten. Dit zou het mogelijk maken om de kwantumpunttoestanden van grafeen op hexagonaal boornitride te exploiteren voor schaalbare kwantumtechnologieën zoals 'valleytronics'.

"Dit opkomende nieuwe veld wordt snel een centrum van aandacht, ", zegt Florian Libisch. "Er zijn meerdere potentiële technologische toepassingen van deze atomair dunne materialen - dat is ook de reden waarom de TU Wien zeer recent ook een speciale doctoraatsschool heeft opgericht die zich richt op tweedimensionale materialen."