Kvantebits i to dimensioner

To nye materialer, hver sammensat af et enkelt atomlag og spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop, er ingredienserne til en ny slags kvanteprikker. Disse ekstremt små nanostrukturer tillader delikat kontrol af individuelle elektroner ved at finjustere deres energiniveauer direkte. Sådanne enheder er nøglen til moderne kvanteteknologier.

De teoretiske simuleringer for den nye teknologi blev udført i teamet af prof. Florian Libisch og prof. Joachim Burgdörfer ved TU Wien. Eksperimentet involverede gruppen af ​​prof. Markus Morgenstern ved RWTH Aachen og holdet omkring nobelprismodtagerne Andre Geim og Kostya Novoselov fra Manchester, hvem har forberedt prøverne. Resultaterne er nu offentliggjort i Natur nanoteknologi .

"For mange applikationer inden for kvanteteknologier, vi har brug for et kvantesystem, hvor elektroner indtager to tilstande, tændt eller slukket, med den forskel, at kvantefysikken også tillader vilkårlige superpositioner af tændt og slukket tilstande, " forklarer Florian Libisch fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien.

En nøgleegenskab ved sådanne systemer er energiforskellen mellem de to kvantetilstande:"Effektiv manipulation af informationen lagret i elektronernes kvantetilstand kræver perfekt kontrol af systemparametrene. Et ideelt system giver mulighed for kontinuerlig tuning af energiforskellen fra nul til en stor værdi, " siger Libisch.

For systemer, der findes i naturen - f.eks. atomer - dette er normalt svært at indse. Energierne i atomare tilstande, og dermed deres forskelle, er faste. Tuning af energier bliver muligt i syntetiske nanostrukturer konstrueret til at begrænse elektroner. Sådanne strukturer omtales ofte som kvanteprikker, eller "kunstige atomer".

Det internationale forskerhold fra TU Wien, Det er lykkedes RWTH Aachen og University of Manchester at udvikle en ny type kvanteprikker, der giver mulighed for meget mere præcist og bredt tunerbare energiniveauer for indesluttede elektroner end før. Dette blev gjort muligt ved at kombinere to meget specielle materialer:grafen, et ledende enkelt atomart lag af kulstofatomer, og sekskantet bornitrid, også et enkelt lag materiale ligner grafen, bortset fra at det er isolerende.

Præcis som grafen, bornitrid danner også et bikagegitter. "Bikagene i grafen og sekskantet bornitrid er, imidlertid, ikke helt lige store, " forklarer Florian Libisch. "Hvis du forsigtigt lægger et enkelt lag grafen oven på sekskantet bornitrid, lagene kan ikke matche perfekt. Denne lille uoverensstemmelse skaber en overbygning over afstande på adskillige nanometer, hvilket resulterer i en ekstremt regelmæssig bølgelignende rumlig oscillation af grafenlaget ud af det perfekte plan."

Som de omfattende simuleringer på TU Wien viser, disse nøjagtige svingninger i grafen på sekskantet bornitrid danner det ideelle stillads til at kontrollere elektronenergier. Det potentielle landskab skabt af den almindelige overbygning giver mulighed for nøjagtigt at placere kvanteprikken, eller endda flytte den kontinuerligt og dermed jævnt ændre dens egenskaber. Afhængigt af den nøjagtige position af spidsen af ​​scanningstunnelmikroskopet, energiniveauerne i de elektroniske tilstande inde i kvanteprikken ændres. "Et skift med nogle få nanometer giver mulighed for at ændre energiforskellen på to tilstødende energiniveauer fra minus fem til plus ti millielektronvolt med høj nøjagtighed - et tuningområde omkring 50 gange større end tidligere muligt, " forklarer Florian Libisch.

Som et næste skridt, spidsen af ​​scanningstunnelmikroskopet kunne erstattes af en række nanoelektroniske porte. Dette ville give mulighed for at udnytte kvantepunkttilstandene af grafen på hexagonalt bornitrid til skalerbare kvanteteknologier såsom "valleytronics".

"Dette nye felt er hurtigt ved at blive et centrum for opmærksomhed, " siger Florian Libisch. "Der er flere potentielle teknologiske anvendelser af disse atomisk tynde materialer - det er også grunden til, at TU Wien også for ganske nylig har etableret et særligt ph.d.-kollegium med fokus på todimensionelle materialer."