Forskere skaber kvanteprikker med enkeltatompræcision

Et team af fysikere fra Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) i Berlin, Tyskland, NTT Basic Research Laboratories i Atsugi, Japan, og U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har brugt et scanningstunnelmikroskop til at oprette kvantepunkter med identiske, deterministiske størrelser. Den perfekte reproducerbarhed af disse prikker åbner døren til quantum dot -arkitekturer helt fri for ukontrollerede variationer, et vigtigt mål for teknologier fra nanofotonik til kvanteinformationsbehandling samt for grundlæggende undersøgelser. De komplette fund er offentliggjort i juli 2014 -udgaven af ​​tidsskriftet Naturnanoteknologi .

Kvanteprikker betragtes ofte som kunstige atomer, fordi som rigtige atomer, de begrænser deres elektroner til kvantiserede tilstande med diskrete energier. Men analogien bryder hurtigt sammen, for mens rigtige atomer er identiske, kvanteprikker omfatter normalt hundreder eller tusinder af atomer - med uundgåelige variationer i deres størrelse og form og, følgelig, i deres egenskaber og adfærd. Eksterne elektrostatiske porte kan bruges til at reducere disse variationer. Men det mere ambitiøse mål om at skabe kvantepunkter med iboende perfekt troskab ved fuldstændigt at eliminere statistiske variationer i deres størrelse, form, og arrangementet har længe været undvigende.

At skabe atomisk præcise kvanteprikker kræver, at hvert atom placeres på et præcist specificeret sted uden fejl. Teamet samlede prikkerne atom-for-atom, ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop (STM), og stolede på en atomisk præcis overfladeskabelon for at definere et gitter med tilladte atompositioner. Skabelonen var overfladen af ​​en InAs krystal, som har et regelmæssigt mønster af indium -ledige stillinger og en lav koncentration af native indiumadatomer adsorberet over de ledige steder. Adatomer er ioniserede +1 donorer og kan flyttes med STM -spidsen ved lodret atommanipulation. Teamet samlede kvantepunkter bestående af lineære kæder med N =6 til 25 indiumatomer; eksemplet vist her er en kæde på 22 atomer.

Stefan Fölsch, en fysiker ved PDI, der ledede holdet, forklaret, at "de ioniserede indium-adatomer danner en kvanteprik ved at skabe en elektrostatisk brønd, der begrænser elektroner, der normalt er forbundet med en overfladetilstand af InAs-krystallen. De kvantiserede tilstande kan derefter sonderes og kortlægges ved at scanne tunneling-spektroskopi-målinger af differentialkonduktansen." Disse spektre viser en række resonanser mærket med det primære kvantetal n. Rumlige kort afslører bølgefunktionerne i disse kvantificerede tilstande, som har n lapper og n - 1 noder langs kæden, præcis som forventet for en kvantemekanisk elektron i en kasse. For eksemplet på 22 atomkæder:tilstande op til n =6 vises.

Fordi indiumatomer er strengt begrænset til det almindelige gitter på ledige steder, hver kvanteprik med N-atomer er i det væsentlige identiske, uden iboende variation i størrelse, form, eller stilling. Dette betyder, at kvanteprik "molekyler", der består af flere koblede kæder, vil afspejle den samme invariance. Steve Erwin, en fysiker ved NRL og holdets teoretiker, påpegede, at "dette i høj grad forenkler opgaven med at skabe, beskytte, og styring af degenererede tilstande i quantum dot -molekyler, hvilket er en vigtig forudsætning for mange teknologier." Inden for kvantecomputere, for eksempel, qubits med dobbelt degenererede grundtilstande giver beskyttelse mod miljømæssig dekoherens. Ved at kombinere invariansen af ​​kvanteprikmolekyler med den iboende symmetri af InAs ledige gitter, holdet skabte degenererede tilstande, der er overraskende modstandsdygtige over for miljøforstyrrelser fra defekter. I eksemplet vist her, et molekyle med perfekt tredobbelt rotationssymmetri blev først skabt og dets to gange degenererede tilstand demonstreret eksperimentelt. Ved bevidst at bryde symmetrien, holdet fandt ud af, at degenerationen gradvist blev fjernet, afslutte demonstrationen.

Reproducerbarheden og den høje kvalitet, som disse kvanteprikker tilbyder, gør dem til fremragende kandidater til at studere grundlæggende fysik, der typisk er skjult af stokastiske variationer i størrelse, form, eller positionen af ​​kæderne. Ser frem til, holdet forudser også, at elimineringen af ​​ukontrollerede variationer i kvanteprikarkitekturer vil give mange fordele for en bred vifte af fremtidige kvanteprikteknologier, hvor troskab er vigtig.