De eerste demonstratie van grafeen dubbele kwantumstippen waarin het mogelijk is om het aantal elektronen tot nul te regelen, is gerapporteerd in Nano-letters . Verre van een abstracte academische stunt, de resultaten kunnen de sleutel blijken te zijn voor toekomstige implementaties van kwantumcomputing op basis van grafeen. "Het hebben van exacte informatie en controle over het aantal elektronen in de stippen is essentieel voor op spin gebaseerde kwantuminformatietechnologie, " zegt Luca Banszerus, een onderzoeker aan de RWTH Aachen University in Duitsland en de eerste auteur van de paper die deze resultaten rapporteert.

Hoewel dit niveau van controle is aangetoond in enkele kwantumdots, dit is de eerste demonstratie in grafeen dubbele kwantumstippen, die bijzonder nuttig zijn als spin-qubits. "Het gebruik van een dubbele stip vergemakkelijkt het uitlezen van de spintoestand van het elektron en de implementatie van kwantumpoorten, ' voegt Banszerus toe.

Minder scherpe kwantumstippen

Het idee om grafeen in kwantumstippen te gebruiken dateert bijna net zo ver als de eerste rapporten over de isolatie van het materiaal in 2004. Grafeen heeft bijna geen spin-baaninteractie en zeer weinig hyperfijnkoppeling, wat zou suggereren dat de levensduur van de spin extreem hoog kan zijn. Helaas, kwantumstippen die fysiek zijn geëtst uit grotere grafeenvlokken, komen in de problemen doordat de wanorde aan de randen van de stip het gedrag van het materiaal verstoort. Als resultaat, het transportgedrag van deze quantum dots wordt gedomineerd door gelokaliseerde toestanden aan de randen. "Dit leidt tot een onbekende effectieve kwantumdotgrootte en een bezetting van typisch veel elektronen, ’ zegt Banszerus.

In plaats daarvan, Banszerus en collega's van RWTH Aachen en het National Institute of Materials Science in Japan werken met dubbellaags grafeen, die kan worden afgestemd op een halfgeleider. Een spanning die wordt toegepast op specifieke regio's van een dubbellaagse grafeenvlok kan die regio's veranderen om zich als isolatoren te gedragen, elektrostatisch een kwantumpunt definiëren die geen randtoestanden in de buurt heeft.

De Aken-onderzoekers strippen enkele vlokken dubbellaags grafeen van grafiet (mechanische exfoliatie) en verwerken het met behulp van een droge ophaaltechniek die afhangt van van der Waals-interacties. Ze kapselen het dubbelgelaagde grafeen in in hexagonaal boornitride (hBN) kristal. Vervolgens plaatsen ze de structuur op een grafietvlok, die fungeert als de onderste elektrode, en voeg chroom en goud gespleten poorten en vingerpoorten toe, gescheiden van de gespleten poorten door een 30 nm dikke laag atomaire laag afgezet Al ₂ O ₃ .

Ze waren in staat om het aantal elektronen op de kwantumdots te regelen door een spanning aan te leggen, die ook de tunnelkoppeling tussen de punten beïnvloedde. Als resultaat, zodra de totale bezetting van de twee kwantumstippen de acht elektronen overschrijdt, ze beginnen zich te gedragen als één enkele kwantumstip, in plaats van een dubbele kwantumstip. Uit transportmetingen bleek ook dat het aantal elektronen dat op de kwantumdot wordt geladen, kon worden teruggebracht tot nul elektronen.

Het idee om op deze manier kwantumdots in dubbellaags grafeen elektrostatisch te definiëren is niet nieuw. Echter, hoewel verschillende groepen deze aanpak sinds 2010 hebben geprobeerd, het proces vereiste recent ontdekte kneepjes van het vak, zoals betere inkapseling in hBN en het gebruik van grafietvlokken als poorten om een ​​schone bandgap te krijgen. Banszerus zegt dat deze ontwikkelingen als een verrassing kwamen en de interesse in grafeen-kwantumdots in 2018 nieuw leven hebben ingeblazen. Hij hoopt dat de mogelijkheden die ze nu hebben aangetoond, de activiteit op dit gebied verder zullen aanwakkeren.

Koppeling controle

"Hoewel het een enorme stap voorwaarts is om het aantal ladingen in een dubbele punt van grafeen te beheersen, er zijn nog veel problemen die moeten worden opgelost op weg naar op spin gebaseerde kwantuminformatietechnologie in grafeen, " zegt Banszerus. Vervolgens, hij hoopt het probleem van het beheersen van de koppeling tussen de kwantumdots en het reservoir aan te pakken, wat hij hoopt te bereiken door er een extra laag in elkaar grijpende vingerpoorten aan toe te voegen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk