Immagine al microscopio a forza atomica, che mostra il layout del cancello del dispositivo. I contatti di source (S) e drain (D) sono collegati al BLG tramite vie incise nell'hBN. Lo stack di gate contiene porte divise (SG) con una separazione di 50 nm e sopra, separato da Al2O3, sei porte a dita parallele con una separazione delle porte di 50 nm e una larghezza di 100 nm. Le porte GL e GR (codificate a colori) sono utilizzate per controllare i QD discussi in questo lavoro. Credito:Nano Letters
La prima dimostrazione di punti quantici doppi di grafene in cui è possibile controllare il numero di elettroni fino a zero è stata riportata in Nano lettere . Lungi da un'astratta trovata accademica, i risultati potrebbero rivelarsi fondamentali per le future implementazioni dell'informatica quantistica basata sul grafene. "Avere informazioni esatte e il controllo sul numero di elettroni nei punti è essenziale per la tecnologia dell'informazione quantistica basata sullo spin, "dice Luca Banszerus, ricercatore presso la RWTH Aachen University in Germania e primo autore dell'articolo che riporta questi risultati.
Sebbene questo livello di controllo sia stato dimostrato in singoli punti quantici, questa è la prima dimostrazione in punti quantici doppi di grafene, che sono particolarmente utili come spin qubit. "L'utilizzo di un doppio punto facilita notevolmente la lettura dello stato di spin dell'elettrone e l'implementazione di porte quantistiche, " aggiunge Banszerus.
Punti quantici meno spigolosi
L'idea di utilizzare il grafene nei punti quantici risale quasi ai primi rapporti sull'isolamento del materiale nel 2004. Il grafene non ha quasi alcuna interazione spin-orbita e pochissimo accoppiamento iperfine, il che suggerirebbe che le vite di spin possono essere estremamente alte. Sfortunatamente, i punti quantici incisi fisicamente da scaglie di grafene più grandi incontrano problemi a causa del disordine ai bordi del punto che interrompe il comportamento del materiale. Di conseguenza, il comportamento di trasporto di questi punti quantici è dominato da stati localizzati ai bordi. "Questo porta a una dimensione effettiva del punto quantico sconosciuta e a un'occupazione tipicamente di molti elettroni, "dice Banszerus.
Anziché, Banszerus e i colleghi della RWTH Aachen e del National Institute of Materials Science in Giappone lavorano con il grafene a doppio strato, che può essere sintonizzato per essere un semiconduttore. Una tensione applicata a regioni specifiche di un fiocco di grafene a doppio strato può far sì che quelle regioni si comportino come isolanti, definendo elettrostaticamente un punto quantico che non ha stati limite nelle vicinanze.
I ricercatori di Aquisgrana rimuovono i singoli fiocchi di grafene a doppio strato dalla grafite (esfoliazione meccanica) e li gestiscono utilizzando una tecnica di raccolta a secco che si basa sulle interazioni di van der Waals. Incapsulano il grafene a doppio strato in un cristallo esagonale di nitruro di boro (hBN). Quindi posizionano la struttura su una scaglia di grafite, che funge da elettrodo inferiore, e aggiungere porte divise di cromo e oro e porte a dito separate dalle porte divise da uno strato di 30 nm di spessore di strato atomico depositato Al 2 oh 3 .
Sono stati in grado di controllare il numero di elettroni sui punti quantici applicando una tensione, che ha interessato anche l'accoppiamento tunneling tra i punti. Di conseguenza, una volta che l'occupazione totale dei due punti quantici supera gli otto elettroni, iniziano a comportarsi come un singolo punto quantico, piuttosto che un doppio punto quantico. Le misurazioni del trasporto hanno anche rivelato che il numero di elettroni caricati sul punto quantico potrebbe essere controllato fino a zero elettroni.
L'idea di definire elettrostaticamente i punti quantici nel grafene a doppio strato in questo modo non è nuova. Però, sebbene diversi gruppi abbiano tentato questo approccio dal 2010, il processo richiedeva trucchi del mestiere scoperti di recente, come un migliore incapsulamento in hBN e l'uso di scaglie di grafite come porte per ottenere un gap di banda pulito. Banszerus afferma che questi sviluppi sono stati una sorpresa e hanno ravvivato l'interesse per i punti quantici di grafene nel 2018. Spera che le capacità che hanno ora dimostrato stimoleranno ulteriormente l'attività in questo campo.
Controllo dell'accoppiamento
"Anche se essere in grado di controllare il numero di cariche in un doppio punto di grafene è un enorme passo avanti, ci sono ancora molti problemi da risolvere sulla strada verso la tecnologia dell'informazione quantistica basata sullo spin nel grafene, " dice Banszerus. Poi, spera di affrontare il problema del controllo dell'accoppiamento tra i punti quantici e il serbatoio, che spera di ottenere aggiungendo un ulteriore strato di porte a dita interdigitate in cima.
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