In una minuscola prigione quantistica, gli elettroni si comportano in modo abbastanza diverso rispetto alle loro controparti nello spazio libero. Possono occupare solo livelli energetici discreti, proprio come gli elettroni in un atomo - per questo motivo, tali prigioni di elettroni sono spesso chiamate "atomi artificiali". Gli atomi artificiali possono anche presentare proprietà oltre a quelle convenzionali, con il potenziale per molte applicazioni, ad esempio nell'informatica quantistica. Tali proprietà aggiuntive sono state ora mostrate per gli atomi artificiali nel grafene, materiale di carbonio. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nano lettere , il progetto era una collaborazione di scienziati della TU Wien (Vienna, Austria), RWTH Aachen (Germania) e l'Università di Manchester (GB).

Costruire atomi artificiali

"Gli atomi artificiali si aprono a nuove, possibilità entusiasmanti, perché possiamo sintonizzare direttamente le loro proprietà", afferma il professor Joachim Burgdörfer (TU Wien, Vienna). Nei materiali semiconduttori come l'arseniuro di gallio, è già stato dimostrato che intrappolare gli elettroni in piccoli confinamenti è possibile. Queste strutture sono spesso chiamate "punti quantici". Proprio come in un atomo, dove gli elettroni possono girare intorno al nucleo solo su certe orbite, gli elettroni in questi punti quantici sono forzati in stati quantistici discreti.

Possibilità ancora più interessanti si aprono utilizzando il grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, che ha attirato molta attenzione negli ultimi anni. "Nella maggior parte dei materiali, gli elettroni possono occupare due diversi stati quantistici a una data energia. L'elevata simmetria del reticolo del grafene consente quattro diversi stati quantistici. Ciò apre nuove strade per l'elaborazione e l'archiviazione delle informazioni quantistiche", spiega Florian Libisch di TU Wien. Tuttavia, creare atomi artificiali ben controllati nel grafene si è rivelato estremamente impegnativo.

Il tagliente non basta

Esistono diversi modi per creare atomi artificiali:il più semplice è mettere gli elettroni in piccoli fiocchi, ritagliare un sottile strato di materiale. Mentre questo funziona per il grafene, la simmetria del materiale è rotta dai bordi della scaglia che non possono mai essere perfettamente lisci. Di conseguenza, la speciale quadruplice molteplicità di stati nel grafene è ridotta a quella convenzionale duplice.

Perciò, è stato necessario trovare modi diversi:non è necessario utilizzare piccoli fiocchi di grafene per catturare gli elettroni. L'uso di combinazioni intelligenti di campi elettrici e magnetici è un'opzione molto migliore. Con la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel, un campo elettrico può essere applicato localmente. Quel modo, viene creata una piccola regione all'interno della superficie del grafene, in cui possono essere intrappolati elettroni a bassa energia. Allo stesso tempo, gli elettroni sono spinti in minuscole orbite circolari applicando un campo magnetico. "Se usassimo solo un campo elettrico, gli effetti quantistici consentono agli elettroni di uscire rapidamente dalla trappola", spiega Libisch.

Gli atomi artificiali sono stati misurati al RWTH Aachen da Nils Freitag e Peter Nemes-Incze nel gruppo del professor Markus Morgenstern. Simulazioni e modelli teorici sono stati sviluppati alla TU Wien (Vienna) da Larisa Chizhova, Florian Libisch e Joachim Burgdörfer. Il campione di grafene eccezionalmente pulito proveniva dal team di Andre Geim e Kostya Novoselov di Manchester (GB):questi due ricercatori hanno ricevuto il premio Nobel nel 2010 per aver creato per la prima volta fogli di grafene.

I nuovi atomi artificiali ora aprono nuove possibilità per molti esperimenti tecnologici quantistici:"Quattro stati di elettroni localizzati con la stessa energia consentono il passaggio tra diversi stati quantistici per immagazzinare informazioni", dice Joachim Burgdörfer. Gli elettroni possono conservare a lungo sovrapposizioni arbitrarie, proprietà ideali per i computer quantistici. Inoltre, il nuovo metodo ha il grande vantaggio della scalabilità:dovrebbe essere possibile inserire molti di questi atomi artificiali su un piccolo chip per utilizzarli per applicazioni di informazione quantistica.