Bilags grafen dobbelte kvantepunkter indstiller til enkelt-elektron kontrol

Den første demonstration af grafen dobbelte kvantepunkter, hvor det er muligt at kontrollere antallet af elektroner ned til nul, er blevet rapporteret i Nano bogstaver . Langt fra et abstrakt akademisk stunt, resultaterne kunne vise sig at være nøglen til fremtidige implementeringer af kvanteberegning baseret på grafen. "At have nøjagtig information og kontrol over antallet af elektroner i prikkerne er afgørende for spin -baseret kvanteinformationsteknologi, "siger Luca Banszerus, en forsker ved RWTH Aachen University i Tyskland og den første forfatter til papiret, der rapporterede disse resultater.

Selvom dette kontrolniveau er blevet påvist i enkelte kvantepunkter, dette er den første demonstration i grafen dobbelte kvantepunkter, som er særligt nyttige som spin qubits. "Brug af en dobbelt prik letter i høj grad aflæsningen af ​​elektronens spin -tilstand og implementering af kvanteporte, "Tilføjer Banszerus.

Mindre kantede kvanteprikker

Ideen om at bruge grafen i kvantepunkter stammer næsten lige så langt som de første rapporter om materialets isolation i 2004. Graphen har næsten ingen spin-orbit-interaktion og meget lidt hyperfin kobling, hvilket tyder på, at centrifugeringstider kan være ekstremt høje. Desværre, kvanteprikker fysisk ætset fra større grafenflager løber ind i problemer på grund af lidelsen ved prikkens kanter, der forstyrrer materialets adfærd. Som resultat, transportadfærden for disse kvantepunkter domineres af lokaliserede tilstande ved kanterne. "Dette fører til en ukendt effektiv kvantepunktsstørrelse og en besættelse af typisk mange elektroner, «siger Banszerus.

I stedet, Banszerus og kolleger ved RWTH Aachen og National Institute of Materials Science i Japan arbejder med to -lags grafen, som kan indstilles til at være en halvleder. En spænding, der påføres bestemte områder af et dobbeltlags grafenflager, kan skifte disse områder til at opføre sig som isolatorer, elektrostatisk at definere en kvanteprik, der ikke har kanttilstande i nærheden.

Aachen-forskerne fjerner enkelte flager af to-lags grafen fra grafit (mekanisk eksfoliering) og håndterer det ved hjælp af en tør opsamlingsteknik, der afhænger af van der Waals interaktioner. De indkapsler dobbeltlaget grafen i sekskantet bornitrid (hBN) krystal. De placerer derefter strukturen på en grafitflage, som fungerer som bundelektroden, og tilføj krom- og guldspalteåbninger og fingerporte adskilt fra de spaltede porte med et 30 nm tykt lag af atomlag afsat Al ₂ O ₃ .

De var i stand til at kontrollere antallet af elektroner på kvantepunkterne ved at anvende en spænding, hvilket også påvirkede tunnelingskoblingen mellem prikkerne. Som resultat, når den samlede besættelse af de to kvantepunkter overstiger otte elektroner, de begynder at opføre sig som en enkelt kvantepunkt, frem for en dobbelt kvantepunkt. Transportmålinger afslørede også, at antallet af elektroner indlæst på kvantepunktet kunne kontrolleres ned til nul elektroner.

Ideen om at definere kvanteprikker i to -lags grafen elektrostatisk på denne måde er ikke ny. Imidlertid, selvom forskellige grupper har forsøgt denne fremgangsmåde siden 2010, processen krævede nyligt opdagede tricks i handelen, såsom bedre indkapsling i hBN og brug af grafitflager som porte for at få et rent båndgab. Banszerus siger, at denne udvikling kom som en ganske overraskelse og genoplivede interessen for grafenkvantepunkter i 2018. Han håber, at de muligheder, de nu har demonstreret, yderligere vil udløse aktivitet på dette område.

Koblingskontrol

"Selvom det er et stort skridt fremad at kunne kontrollere antallet af ladninger i en grafen dobbelt prik, der er stadig mange problemer, der skal løses på vejen mod spin-baseret kvanteinformationsteknologi i grafen, "siger Banszerus. Dernæst, han håber at tackle problemet med at kontrollere koblingen mellem kvantepunkterne og reservoiret, som han håber at opnå ved at tilføje et ekstra lag interdigiterede fingerporte ovenpå.

© 2020 Science X Network