Het vangen en controleren van elektronen in kwantumstippen van dubbellaagse grafeen levert een veelbelovend platform op voor kwantuminformatietechnologieën. Onderzoekers van UC Santa Cruz hebben nu de eerste directe visualisatie van kwantumstippen in dubbellaags grafeen bereikt, het onthullen van de vorm van de kwantumgolffunctie van de gevangen elektronen.

De resultaten, gepubliceerd 23 november in Nano-letters , bieden belangrijke fundamentele kennis die nodig is om kwantuminformatietechnologieën te ontwikkelen op basis van dubbellaagse grafeen kwantumstippen.

"Er is veel werk verzet om dit systeem voor kwantuminformatiewetenschap te ontwikkelen, maar we misten een begrip van hoe de elektronen eruit zien in deze kwantumstippen, " zei corresponderende auteur Jairo Velasco Jr., assistent-professor natuurkunde aan UC Santa Cruz.

Terwijl conventionele digitale technologieën informatie coderen in bits die worden weergegeven als 0 of 1, een kwantumbit, of qubit, kan beide toestanden tegelijkertijd vertegenwoordigen vanwege kwantumsuperpositie. In theorie, technologieën op basis van qubits zullen een enorme toename van de rekensnelheid en -capaciteit voor bepaalde soorten berekeningen mogelijk maken.

Een verscheidenheid aan systemen, op basis van materialen variërend van diamant tot galliumarsenide, worden onderzocht als platforms voor het maken en manipuleren van qubits. Dubbellaags grafeen (twee lagen grafeen, (een tweedimensionale opstelling van koolstofatomen in een honingraatrooster) is een aantrekkelijk materiaal omdat het gemakkelijk te produceren en te bewerken is, en kwantumstippen in dubbellaags grafeen hebben gewenste eigenschappen.

"Deze kwantumstippen zijn een opkomend en veelbelovend platform voor kwantuminformatietechnologie vanwege hun onderdrukte spindecoherentie, controleerbare kwantum vrijheidsgraden, en afstembaarheid met externe stuurspanningen, ' zei Velasco.

Het begrijpen van de aard van de kwantumpuntgolffunctie in dubbellaags grafeen is belangrijk omdat deze basiseigenschap verschillende relevante functies bepaalt voor de verwerking van kwantuminformatie, zoals het elektronenenergiespectrum, de interacties tussen elektronen, en de koppeling van elektronen aan hun omgeving.

Velasco's team gebruikte een methode die hij eerder had ontwikkeld om kwantumdots te creëren in monolaag grafeen met behulp van een scanning tunneling microscope (STM). Met het grafeen rustend op een isolerend hexagonaal boornitridekristal, een grote spanning toegepast met de STM-tip creëert ladingen in het boornitride die dienen om elektronen elektrostatisch op te sluiten in het dubbellaagse grafeen.

"Het elektrische veld creëert een kraal, als een onzichtbare elektrische afrastering, die de elektronen opsluit in de kwantumstip, ' legde Velasco uit.

De onderzoekers gebruikten vervolgens de scanning tunneling-microscoop om de elektronische toestanden binnen en buiten de kraal in beeld te brengen. In tegenstelling tot theoretische voorspellingen, de resulterende afbeeldingen vertoonden een gebroken rotatiesymmetrie, met drie pieken in plaats van de verwachte concentrische ringen.

"We zien circulair symmetrische ringen in monolaag grafeen, maar in dubbellaags grafeen hebben de kwantumpunttoestanden een drievoudige symmetrie, " zei Velasco. "De pieken vertegenwoordigen locaties met een hoge amplitude in de golffunctie. Elektronen hebben een dubbel golf-deeltjeskarakter, en we visualiseren de golfeigenschappen van het elektron in de kwantumstip."

Dit werk levert cruciale informatie op, zoals het energiespectrum van de elektronen, nodig om kwantumapparaten op basis van dit systeem te ontwikkelen. "Het bevordert het fundamentele begrip van het systeem en zijn potentieel voor kwantuminformatietechnologieën, "Zei Velasco. "Het is een ontbrekend stukje van de puzzel, en samen met het werk van anderen, Ik denk dat we op weg zijn om dit een nuttig systeem te maken."