I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno per la prima volta creato e ripreso una nuova coppia di punti quantici, minuscole isole di carica elettrica confinata che agiscono come atomi artificiali interagenti. Tali punti quantici "accoppiati" potrebbero fungere da bit quantico robusto, o qubit, l'unità di informazione fondamentale per un computer quantistico. Inoltre, i modelli di carica elettrica nell'isola non possono essere completamente spiegati dagli attuali modelli di fisica quantistica, offrendo l'opportunità di investigare ricchi nuovi fenomeni fisici nei materiali.

A differenza di un computer classico, che si basa su bit binari che hanno solo uno dei due valori fissi—"1" o "0"—per memorizzare la memoria, un computer quantistico memorizzerebbe ed elaborerebbe le informazioni in qubit, che può assumere contemporaneamente una moltitudine di valori. Perciò, potrebbero eseguire molto più grandi, operazioni più complesse rispetto ai bit classici e hanno il potenziale per rivoluzionare l'informatica.

Gli elettroni orbitano attorno al centro di un singolo punto quantico in modo simile al modo in cui orbitano attorno agli atomi. Le particelle cariche possono occupare solo determinati livelli di energia consentiti. Ad ogni livello energetico, un elettrone può occupare una gamma di possibili posizioni nel punto, tracciare un'orbita la cui forma è determinata dalle regole della teoria quantistica. Una coppia di punti quantici accoppiati può condividere un elettrone tra di loro, formare un qubit.

Per fabbricare i punti quantici, il team guidato dal NIST, che includeva ricercatori dell'Università del Maryland NanoCenter e del National Institute for Materials Science in Giappone, ha usato la punta ultra affilata di un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) come se fosse uno stilo di un Etch A Sketch. Passando la punta sopra un foglio ultrafreddo di grafene (un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape), i ricercatori hanno brevemente aumentato la tensione della punta.

Il campo elettrico generato dall'impulso di tensione è penetrato attraverso il grafene in uno strato sottostante di nitruro di boro, dove ha strappato gli elettroni dalle impurità atomiche nello strato e ha creato un accumulo di carica elettrica. Il pile-up raggruppava gli elettroni liberamente fluttuanti nel grafene, confinandoli in un minuscolo pozzo di energia.

Ma quando il team ha applicato un campo magnetico da 4 a 8 tesla (circa 400-800 volte la forza di un piccolo magnete a barra), alterava drammaticamente la forma e la distribuzione delle orbite che gli elettroni potevano occupare. Piuttosto che un singolo pozzo, gli elettroni ora risiedevano all'interno di due insiemi di concentrici, anelli ravvicinati all'interno del pozzo originale separati da un piccolo guscio vuoto. Le due serie di anelli per gli elettroni ora si comportavano come se fossero punti quantici debolmente accoppiati.

Questa è la prima volta che i ricercatori hanno sondato l'interno di un sistema di punti quantici accoppiati così profondamente, imaging della distribuzione degli elettroni con risoluzione atomica (vedi illustrazione), ha notato il co-autore del NIST Daniel Walkup. Per acquisire immagini e spettri del sistema ad alta risoluzione, il team ha sfruttato una relazione speciale tra la dimensione di un punto quantico e la spaziatura dei livelli di energia occupati dagli elettroni orbitanti:più piccolo è il punto, maggiore è la distanza, e più è facile distinguere tra livelli energetici adiacenti.

In un precedente studio sui punti quantici utilizzando il grafene, il team ha applicato un campo magnetico più piccolo e ha trovato una struttura di anelli, simile a una torta nuziale, centrato su un singolo punto quantico, che è l'origine degli anelli di punti quantici concentrici. Usando la punta STM per costruire punti circa la metà del diametro (100 nanometri) dei punti che avevano studiato in precedenza, i ricercatori sono riusciti a svelare l'intera struttura del sistema accoppiato.

Il gruppo, che includeva Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez e Joseph Stroscio al NIST e al Maryland NanoCenter, descrive le sue scoperte oggi in Revisione fisica B .

Il modo in cui gli elettroni sono condivisi tra i due punti accoppiati non può essere spiegato dai modelli accettati della fisica dei punti quantici, disse Walkup. Questo enigma può essere importante da risolvere se i punti quantici accoppiati devono essere utilizzati come qubit nell'informatica quantistica, Stroscio ha notato.