Direkte visualisering af kvanteprikker afslører formen på kvantebølgefunktionen

Indfangning og styring af elektroner i tolags grafen kvanteprikker giver en lovende platform for kvanteinformationsteknologier. Forskere ved UC Santa Cruz har nu opnået den første direkte visualisering af kvanteprikker i tolagsgrafen, afslører formen af ​​kvantebølgefunktionen af ​​de fangede elektroner.

Resultaterne, udgivet 23. november i Nano bogstaver , give vigtig grundlæggende viden, der er nødvendig for at udvikle kvanteinformationsteknologier baseret på tolags grafen kvanteprikker.

"Der har været meget arbejde for at udvikle dette system til kvanteinformationsvidenskab, men vi har manglet en forståelse af, hvordan elektronerne ser ud i disse kvanteprikker, " sagde den tilsvarende forfatter Jairo Velasco Jr., assisterende professor i fysik ved UC Santa Cruz.

Mens konventionelle digitale teknologier koder information i bits repræsenteret som enten 0 eller 1, en kvante smule, eller qubit, kan repræsentere begge tilstande på samme tid på grund af kvantesuperposition. I teorien, teknologier baseret på qubits vil muliggøre en massiv stigning i computerhastighed og kapacitet for visse typer beregninger.

En række forskellige systemer, baseret på materialer lige fra diamant til galliumarsenid, bliver udforsket som platforme til at skabe og manipulere qubits. Tolags grafen (to lag grafen, som er et todimensionelt arrangement af kulstofatomer i et bikagegitter) er et attraktivt materiale, fordi det er nemt at fremstille og arbejde med, og kvanteprikker i tolagsgrafen har ønskværdige egenskaber.

"Disse kvanteprikker er en fremvoksende og lovende platform for kvanteinformationsteknologi på grund af deres undertrykte spindekohærens, kontrollerbare kvantegrader af frihed, og afstemning med eksterne styrespændinger, " sagde Velasco.

At forstå karakteren af ​​kvantepunktbølgefunktionen i tolagsgrafen er vigtig, fordi denne grundlæggende egenskab bestemmer flere relevante funktioner for kvanteinformationsbehandling, såsom elektronenergispektret, interaktioner mellem elektroner, og koblingen af ​​elektroner til deres omgivelser.

Velascos team brugte en metode, han tidligere havde udviklet til at skabe kvanteprikker i monolagsgrafen ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop (STM). Med grafenet hvilende på en isolerende sekskantet bornitridkrystal, en stor spænding påført med STM-spidsen skaber ladninger i bornitridet, der tjener til elektrostatisk at indeslutte elektroner i dobbeltlagsgrafen.

"Det elektriske felt skaber en indhegning, som et usynligt elektrisk hegn, der fanger elektronerne i kvanteprikken, " forklarede Velasco.

Forskerne brugte derefter scanningstunnelmikroskopet til at afbilde de elektroniske tilstande i og uden for indhegningen. I modsætning til teoretiske forudsigelser, de resulterende billeder viste en brudt rotationssymmetri, med tre toppe i stedet for de forventede koncentriske ringe.

"Vi ser cirkulært symmetriske ringe i monolagsgrafen, men i tolagsgrafen har kvantepunktstilstandene en tredobbelt symmetri, " Velasco sagde. "Toppene repræsenterer steder med høj amplitude i bølgefunktionen. Elektroner har en dobbeltbølgepartikelnatur, og vi visualiserer elektronens bølgeegenskaber i kvanteprikken."

Dette arbejde giver afgørende information, såsom elektronernes energispektrum, nødvendige for at udvikle kvanteenheder baseret på dette system. "Det fremmer den grundlæggende forståelse af systemet og dets potentiale for kvanteinformationsteknologier, " sagde Velasco. "Det er en manglende brik i puslespillet, og taget sammen med andres arbejde, Jeg tror, ​​vi bevæger os hen imod at gøre dette til et nyttigt system."