Questa immagine mostra gli stati di elettroni quantizzati, per i numeri quantici n =da 1 a 6, di un punto quantico lineare costituito da 22 atomi di indio posizionati sulla superficie di un cristallo di InAs. Credito:Stefan Fölsch/PDI
Un team di fisici del Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) di Berlino, Germania, Laboratori di ricerca di base NTT ad Atsugi, Giappone, e il Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti ha utilizzato un microscopio a scansione a effetto tunnel per creare punti quantici con identici, dimensioni deterministiche. La perfetta riproducibilità di questi punti apre le porte ad architetture di punti quantici completamente prive di variazioni incontrollate, un obiettivo importante per le tecnologie dalla nanofotonica all'elaborazione dell'informazione quantistica, nonché per gli studi fondamentali. I risultati completi sono pubblicati nel numero di luglio 2014 della rivista Nanotecnologia della natura .
I punti quantici sono spesso considerati atomi artificiali perché, come veri atomi, confinano i loro elettroni a stati quantizzati con energie discrete. Ma l'analogia si rompe rapidamente, perché mentre gli atomi reali sono identici, i punti quantici di solito comprendono centinaia o migliaia di atomi - con inevitabili variazioni nella loro dimensione e forma e, di conseguenza, nelle loro proprietà e comportamento. Cancelli elettrostatici esterni possono essere utilizzati per ridurre queste variazioni. Ma l'obiettivo più ambizioso di creare punti quantici con fedeltà intrinsecamente perfetta eliminando completamente le variazioni statistiche nella loro dimensione, forma, e l'arrangiamento è rimasto a lungo sfuggente.
La creazione di punti quantici atomicamente precisi richiede che ogni atomo venga posizionato in una posizione specificata con precisione senza errori. Il team ha assemblato i punti atomo per atomo, utilizzando un microscopio a effetto tunnel (STM), e si basava su un modello di superficie atomicamente preciso per definire un reticolo di posizioni atomiche consentite. Il modello era la superficie di un cristallo InAs, che ha uno schema regolare di posti vacanti di indio e una bassa concentrazione di adatomi di indio nativi adsorbiti sopra i siti vacanti. Gli adatomi sono donatori ionizzati +1 e possono essere spostati con la punta STM mediante manipolazione verticale dell'atomo. Il team ha assemblato punti quantici costituiti da catene lineari di N =da 6 a 25 atomi di indio; l'esempio mostrato qui è una catena di 22 atomi.
Stefan Fölsch, un fisico del PDI che guidava la squadra, ha spiegato che "gli adatomi di indio ionizzato formano un punto quantico creando un pozzo elettrostatico che confina gli elettroni normalmente associati a uno stato superficiale del cristallo di InAs. Gli stati quantizzati possono quindi essere sondati e mappati mediante scansione delle misurazioni della spettroscopia a effetto tunnel della conduttanza differenziale". Questi spettri mostrano una serie di risonanze etichettate dal numero quantico principale n. Le mappe spaziali rivelano le funzioni d'onda di questi stati quantizzati, che hanno n lobi e n - 1 nodi lungo la catena, esattamente come previsto per un elettrone quanto-meccanico in una scatola. Per l'esempio della catena di 22 atomi, vengono mostrati gli stati fino a n =6.
Questa immagine mostra una "molecola" di punti quantici costituita da tre catene di indio da 6 atomi. Nel pannello superiore, la molecola ha una perfetta simmetria triplice e quindi uno stato doppiamente degenere. Nei tre pannelli inferiori, la simmetria viene progressivamente rotta per esplorare come scompare la degenerazione. Credito:Stefan Fölsch/PDI
Poiché gli atomi di indio sono strettamente confinati al reticolo regolare dei siti vacanti, ogni punto quantico con N atomi è essenzialmente identico, senza variazione intrinseca delle dimensioni, forma, o posizione. Ciò significa che le "molecole" di punti quantici costituite da diverse catene accoppiate rifletteranno la stessa invarianza. Steve Erwin, un fisico dell'NRL e teorico del team, ha sottolineato che "questo semplifica enormemente il compito di creare, proteggendo, e controllare gli stati degenerati nelle molecole di punti quantici, che è un prerequisito importante per molte tecnologie." Nell'informatica quantistica, Per esempio, i qubit con stati fondamentali doppiamente degeneri offrono protezione contro la decoerenza ambientale. Combinando l'invarianza delle molecole di punti quantici con la simmetria intrinseca del reticolo di posti vacanti InAs, il team ha creato stati degenerati sorprendentemente resistenti alle perturbazioni ambientali dovute a difetti. Nell'esempio qui mostrato, una molecola con perfetta simmetria rotazionale triplice è stata inizialmente creata e il suo stato degenerato duplice è stato dimostrato sperimentalmente. Rompendo intenzionalmente la simmetria, il team ha scoperto che la degenerazione è stata progressivamente rimossa, completando la dimostrazione.
La riproducibilità e l'alta fedeltà offerte da questi punti quantici li rendono ottimi candidati per lo studio della fisica fondamentale che è tipicamente oscurata da variazioni stocastiche di dimensioni, forma, o posizione delle catene. Guardare avanti, il team prevede inoltre che l'eliminazione delle variazioni incontrollate nelle architetture a punti quantici offrirà molti vantaggi a un'ampia gamma di future tecnologie a punti quantici in cui la fedeltà è importante.
