Due nuovi materiali, ciascuno composto da un singolo strato atomico e dalla punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel, sono gli ingredienti per un nuovo tipo di punto quantico. Queste nanostrutture estremamente piccole consentono un controllo delicato dei singoli elettroni regolando direttamente i loro livelli di energia. Tali dispositivi sono fondamentali per le moderne tecnologie quantistiche.

Le simulazioni teoriche per la nuova tecnologia sono state eseguite dal team del Prof. Florian Libisch e del Prof. Joachim Burgdörfer alla TU Wien. L'esperimento ha coinvolto il gruppo del Prof. Markus Morgenstern della RWTH Aachen e il team dei premi Nobel Andre Geim e Kostya Novoselov di Manchester, che ha preparato i campioni. I risultati sono stati ora pubblicati in Nanotecnologia della natura .

"Per molte applicazioni nel campo delle tecnologie quantistiche, abbiamo bisogno di un sistema quantistico in cui gli elettroni occupano due stati, acceso o spento, con la differenza che la fisica quantistica consente anche sovrapposizioni arbitrarie degli stati on e off, " spiega Florian Libisch dell'Istituto di fisica teorica della TU Wien.

Una proprietà chiave di tali sistemi è la differenza di energia tra i due stati quantistici:"La manipolazione efficiente delle informazioni immagazzinate nello stato quantico degli elettroni richiede un controllo perfetto dei parametri del sistema. Un sistema ideale consente la regolazione continua della differenza di energia da zero a un grande valore, "dice Libisch.

Per i sistemi presenti in natura, ad esempio, atomi:questo di solito è difficile da realizzare. Le energie degli stati atomici, e quindi le loro differenze, sono fissi. L'ottimizzazione delle energie diventa possibile nelle nanostrutture sintetiche progettate per confinare gli elettroni. Tali strutture sono spesso chiamate punti quantici, o "atomi artificiali".

Il team di ricerca internazionale di TU Wien, RWTH Aachen e l'Università di Manchester sono riusciti a sviluppare un nuovo tipo di punti quantici che consentono livelli di energia degli elettroni confinati molto più precisi e ampiamente sintonizzabili rispetto a prima. Ciò è stato possibile combinando due materiali molto speciali:grafene, un singolo strato atomico conduttivo di atomi di carbonio, e nitruro di boro esagonale, anche un singolo strato di materiale abbastanza simile al grafene tranne per il fatto che è isolante.

Esattamente come il grafene, nitruro di boro forma anche un reticolo a nido d'ape. "I favi nel grafene e nel nitruro di boro esagonale sono, però, non esattamente della stessa dimensione, " spiega Florian Libisch. "Se metti con cura un singolo strato di grafene sopra il nitruro di boro esagonale, gli strati non possono corrispondere perfettamente. Questa leggera discrepanza crea una sovrastruttura su distanze di diversi nanometri, il che si traduce in un'oscillazione spaziale simile a un'onda estremamente regolare dello strato di grafene fuori dal piano perfetto".

Come mostrano le ampie simulazioni alla TU Wien, queste esatte oscillazioni nel grafene sul nitruro di boro esagonale formano l'impalcatura ideale per controllare le energie degli elettroni. Il potenziale paesaggio creato dalla sovrastruttura regolare consente di posizionare con precisione il punto quantico, o anche spostandolo continuamente e quindi modificando dolcemente le sue proprietà. A seconda della posizione esatta della punta del microscopio a effetto tunnel, i livelli di energia degli stati elettronici all'interno del punto quantico cambiano. "Uno spostamento di pochi nanometri consente di modificare la differenza di energia di due livelli di energia vicini da meno cinque a più dieci millielettronvolt con un'elevata precisione, un intervallo di sintonizzazione circa 50 volte più ampio di quanto fosse possibile in precedenza, " spiega Florian Libisch.

Come passo successivo, la punta del microscopio a effetto tunnel potrebbe essere sostituita da una serie di porte nanoelettroniche. Ciò consentirebbe di sfruttare gli stati del punto quantico del grafene sul nitruro di boro esagonale per tecnologie quantistiche scalabili come la "valleytronica".

"Questo nuovo campo emergente sta rapidamente diventando un centro di attenzione, " afferma Florian Libisch. "Ci sono molteplici potenziali applicazioni tecnologiche di questi materiali atomicamente sottili, questo è anche il motivo per cui la TU Wien ha anche recentemente istituito uno speciale college di dottorato incentrato sui materiali bidimensionali".