Kunstigt atom skabt i grafen

I et lille kvantefængsel, elektroner opfører sig ganske forskelligt i forhold til deres kolleger i det frie rum. De kan kun optage diskrete energiniveauer, meget ligesom elektronerne i et atom - af denne grund sådanne elektronfængsler kaldes ofte "kunstige atomer". Kunstige atomer kan også have egenskaber ud over de konventionelle, med potentiale for mange applikationer, f.eks. inden for kvanteberegning. Sådanne yderligere egenskaber er nu blevet vist for kunstige atomer i carbonmaterialet grafen. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , projektet var et samarbejde mellem forskere fra TU Wien (Wien, Østrig), RWTH Aachen (Tyskland) og University of Manchester (GB).

Bygger kunstige atomer

"Kunstige atomer åbner nyt, spændende muligheder, fordi vi kan justere deres egenskaber direkte ", siger professor Joachim Burgdörfer (TU Wien, Wien). I halvledermaterialer, såsom galliumarsenid, fanger elektroner i små indeslutninger har allerede vist sig at være muligt. Disse strukturer omtales ofte som "kvantepunkter". Ligesom i et atom, hvor elektronerne kun kan cirkulere kernen på bestemte baner, elektroner i disse kvantepunkter tvinges til diskrete kvantetilstande.

Endnu mere interessante muligheder åbnes ved at bruge grafen, et materiale bestående af et enkelt lag carbonatomer, hvilket har tiltrukket megen opmærksomhed i de sidste par år. "I de fleste materialer, elektroner kan optage to forskellige kvantetilstande ved en given energi. Den høje symmetri af grafengitteret giver mulighed for fire forskellige kvantetilstande. Dette åbner nye veje til behandling og lagring af kvanteoplysninger ", forklarer Florian Libisch fra TU Wien. at skabe velkontrollerede kunstige atomer i grafen viste sig at være ekstremt udfordrende.

Forkant er ikke nok

Der er forskellige måder at skabe kunstige atomer på:Den enkleste er at sætte elektroner i små flager, skåret ud af et tyndt lag af materialet. Selvom dette virker for grafen, materialets symmetri brydes af flagerens kanter, som aldrig kan være helt glatte. Følgelig, den særlige firefoldige mangfoldighed af tilstande i grafen reduceres til den konventionelle to-foldede.

Derfor, forskellige måder skulle findes:Det er ikke nødvendigt at bruge små grafenflager til at fange elektroner. Brug af smarte kombinationer af elektriske og magnetiske felter er en meget bedre mulighed. Med spidsen af ​​et scannende tunnelmikroskop, et elektrisk felt kan anvendes lokalt. Den vej, et lille område skabes inden for grafenoverfladen, hvor elektroner med lav energi kan fanges. På samme tid, elektronerne tvinges ind i små cirkulære baner ved at anvende et magnetfelt. "Hvis vi kun ville bruge et elektrisk felt, kvanteeffekter giver elektronerne mulighed for hurtigt at forlade fælden, «forklarer Libisch.

De kunstige atomer blev målt ved RWTH Aachen af ​​Nils Freitag og Peter Nemes-Incze i gruppen af ​​professor Markus Morgenstern. Simuleringer og teoretiske modeller blev udviklet på TU Wien (Wien) af Larisa Chizhova, Florian Libisch og Joachim Burgdörfer. Den usædvanligt rene grafenprøve kom fra teamet omkring Andre Geim og Kostya Novoselov fra Manchester (GB) - disse to forskere blev tildelt Nobelprisen i 2010 for at lave grafenark for første gang.

De nye kunstige atomer åbner nu nye muligheder for mange kvanteteknologiske eksperimenter:"Fire lokaliserede elektronstater med samme energi giver mulighed for at skifte mellem forskellige kvantetilstande for at gemme information", siger Joachim Burgdörfer. Elektronerne kan bevare vilkårlige superpositioner i lang tid, ideelle egenskaber til kvantecomputere. Ud over, den nye metode har den store fordel ved skalerbarhed:det burde være muligt at montere mange sådanne kunstige atomer på en lille chip for at kunne bruge dem til kvanteinformationsapplikationer.