Результаты, опубликованные 23 ноября в Nano Letters, предоставляют важные фундаментальные знания, необходимые для разработки квантовых информационных технологий на основе квантовых точек двухслойного графена.
«Была проделана большая работа по разработке этой системы для квантовой информатики, но нам не хватает понимания того, как выглядят электроны в этих квантовых точках», – сказал автор-корреспондент Хайро Веласко-младший., доцент физики Калифорнийского университета в Санта-Крус.
В то время как традиционные цифровые технологии кодируют информацию в битах, представленных как 0 или 1, квантовый бит или кубит могут представлять оба состояния одновременно из-за квантовой суперпозиции. Теоретически технологии, основанные на кубитах, позволят значительно увеличить скорость вычислений и производительность для определенных типов вычислений.
Разнообразные системы, основанные на материалах от алмаза до арсенида галлия, исследуются в качестве платформ для создания кубитов и управления ими.
Двухслойный графен (два слоя графена, представляющий собой двумерное расположение атомов углерода в сотовой решетке) является привлекательным материалом, поскольку его легко производить и с ним легко работать, а квантовые точки в двухслойном графене обладают желаемыми свойствами.
«Эти квантовые точки являются новой и многообещающей платформой для квантовой информационной технологии из-за их подавленной спиновой декогеренции, контролируемых квантовых степеней свободы и настраиваемости с помощью внешнего управляющего напряжения», – сказал Веласко.
Понимание природы волновой функции квантовой точки в двухслойном графене важно, потому что это основное свойство определяет несколько важных характеристик для обработки квантовой информации, таких как энергетический спектр электронов, взаимодействия между электронами и связь электронов с окружающей средой.
Команда Веласко использовала метод, который он разработал ранее, для создания квантовых точек в однослойном графене с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).
Когда графен покоится на изолирующем кристалле гексагонального нитрида бора, большое напряжение, приложенное к наконечнику СТМ, создает заряды в нитриде бора, которые служат для электростатического удержания электронов в двухслойном графене.
«Электрическое поле создает загон, похожий на невидимый электрический забор, который удерживает электроны в квантовой точке», – объяснил Веласко.
Затем исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп для визуализации электронных состояний внутри и вне загона. В отличие от теоретических предсказаний, полученные изображения показали нарушенную вращательную симметрию с тремя пиками вместо ожидаемых концентрических колец.
«Мы видим циркулярно-симметричные кольца в однослойном графене, но в двухслойном графене состояния квантовых точек обладают тройной симметрией», – сказал Веласко. "Пики представляют собой участки большой амплитуды волновой функции. Электроны имеют двойную волновую частичную природу, и мы визуализируем волновые свойства электрона в квантовой точке."
Эта работа предоставляет важную информацию, такую как энергетический спектр электронов, необходимую для разработки квантовых устройств на основе этой системы. «Это продвигает фундаментальное понимание системы и ее потенциала для квантовых информационных технологий», – сказал Веласко. "Это недостающий фрагмент головоломки, и, вместе с работой других, я думаю, что мы движемся к тому, чтобы сделать эту систему полезной."
Помимо Веласко, в число авторов статьи входят соавторы Чжао Ге, Фредерик Жукен и Эберт Кесада-Лопес из Калифорнийского университета в Санта-Крус, а также соавторы из Федерального университета Сеары, Бразилия, Национального института материаловедения в г. Япония, Университет Миннесоты и Инженерная школа Баскина UCSC. Эта работа финансировалась Национальным научным фондом и Управлением армейских исследований.