Intrappolare e controllare gli elettroni nei punti quantici di grafene a doppio strato fornisce una piattaforma promettente per le tecnologie dell'informazione quantistica. I ricercatori della UC Santa Cruz hanno ora ottenuto la prima visualizzazione diretta dei punti quantici nel grafene a doppio strato, rivelando la forma della funzione d'onda quantistica degli elettroni intrappolati.

I risultati, pubblicato il 23 novembre in Nano lettere , fornire importanti conoscenze fondamentali necessarie per sviluppare tecnologie dell'informazione quantistica basate su punti quantici di grafene a doppio strato.

"C'è stato molto lavoro per sviluppare questo sistema per la scienza dell'informazione quantistica, ma ci è mancata la comprensione di come appaiono gli elettroni in questi punti quantici, " ha detto l'autore corrispondente Jairo Velasco Jr., assistente professore di fisica all'UC Santa Cruz.

Mentre le tecnologie digitali convenzionali codificano le informazioni in bit rappresentati come 0 o 1, un bit quantico, o qubit, può rappresentare entrambi gli stati contemporaneamente a causa della sovrapposizione quantistica. In teoria, le tecnologie basate sui qubit consentiranno un massiccio aumento della velocità di calcolo e della capacità per determinati tipi di calcoli.

Una varietà di sistemi, a base di materiali che vanno dal diamante all'arseniuro di gallio, vengono esplorate come piattaforme per la creazione e la manipolazione di qubit. Grafene a doppio strato (due strati di grafene, che è una disposizione bidimensionale di atomi di carbonio in un reticolo a nido d'ape) è un materiale attraente perché è facile da produrre e lavorare, e i punti quantici nel grafene a doppio strato hanno proprietà desiderabili.

"Questi punti quantici sono una piattaforma emergente e promettente per la tecnologia dell'informazione quantistica a causa della loro decoerenza di spin soppressa, gradi di libertà quantistici controllabili, e sintonizzabilità con tensioni di controllo esterne, " ha detto Velasco.

Comprendere la natura della funzione d'onda del punto quantico nel grafene a doppio strato è importante perché questa proprietà di base determina diverse caratteristiche rilevanti per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, come lo spettro energetico degli elettroni, le interazioni tra gli elettroni, e l'accoppiamento degli elettroni al loro ambiente.

Il team di Velasco ha utilizzato un metodo che aveva sviluppato in precedenza per creare punti quantici nel grafene monostrato utilizzando un microscopio a effetto tunnel (STM). Con il grafene appoggiato su un cristallo isolante di nitruro di boro esagonale, una grande tensione applicata con la punta STM crea cariche nel nitruro di boro che servono a confinare elettrostaticamente gli elettroni nel grafene a doppio strato.

"Il campo elettrico crea un recinto, come un invisibile recinto elettrico, che intrappola gli elettroni nel punto quantico, "Spiega Velasco.

I ricercatori hanno quindi utilizzato il microscopio a effetto tunnel per visualizzare gli stati elettronici all'interno e all'esterno del recinto. Contrariamente alle previsioni teoriche, le immagini risultanti hanno mostrato una simmetria rotazionale rotta, con tre picchi invece dei previsti anelli concentrici.

"Vediamo anelli circolarmente simmetrici nel grafene monostrato, ma nel grafene a doppio strato gli stati del punto quantico hanno una simmetria tripla, "Ha detto Velasco. "I picchi rappresentano siti di elevata ampiezza nella funzione d'onda. Gli elettroni hanno una doppia natura onda-particella, e stiamo visualizzando le proprietà ondulatorie dell'elettrone nel punto quantico".

Questo lavoro fornisce informazioni cruciali, come lo spettro energetico degli elettroni, necessario per sviluppare dispositivi quantistici basati su questo sistema. "Sta facendo avanzare la comprensione fondamentale del sistema e il suo potenziale per le tecnologie dell'informazione quantistica, — disse Velasco. — È un pezzo mancante del puzzle, e preso insieme al lavoro degli altri, Penso che ci stiamo muovendo per rendere questo un sistema utile".