Elektron-hulsymmetri i kvanteprikker viser løfte for kvanteberegning – Physics World

Elektron-hulsymmetri i kvanteprikker viser løfte for kvanteberegning – Physics World

Tidsstempel: 11. juni 2023 kl. 10

Grafen tolags kvanteprik
Begge sider nu: kunstnerens indtryk af tolagsgrafen med en elektron-hul symmetrisk dobbelt kvanteprik, hvor elektronen og hullet er i forskellige lag. (Med høflighed: Sebastian Staacks)

Adskillige unikke fænomener, der kunne gavne kvanteberegning, er blevet observeret i kvanteprikker lavet af tolagsgrafen. Undersøgelsen er udført af Christoph Stampfer ved RWTH Aachen University og kolleger i Tyskland og Japan, som viste, hvordan strukturen kan være vært for en elektron i det ene lag og et hul i det andet. Hvad mere er, er disse to entiteters kvantespintilstande næsten perfekte spejle af hinanden.

En kvanteprik er et lille stykke halvleder med elektroniske egenskaber, der er mere som et atom end et bulkmateriale. For eksempel exciteres en elektron i en kvanteprik til en række kvantiserede energiniveauer - meget ligesom i et atom. Dette er i modsætning til et konventionelt fast stof, hvor elektroner exciteres til et ledningsbånd. Denne atomlignende adfærd kan finjusteres ved at justere størrelsen og formen af ​​kvanteprikken.

En kvanteprik kan laves ved hjælp af bittesmå stykker grafen, som er et ark kulstof, der kun er et atom tykt. Sådanne kvanteprikker kan være lavet af kun et ark grafen, to ark (tolags grafen) eller mere.

Interessante spin-qubits

En lovende anvendelse af grafen kvanteprikker er at skabe kvantebits (qubits), der lagrer kvanteinformation i elektronernes spintilstande. Som Stampfer forklarer, har udviklingen af ​​grafen kvanteprikker vigtige implikationer for udviklingen af ​​kvantecomputere. "Graphene quantum dots, først anerkendt i 2007, dukkede op som interessante værter for spin qubits, som kan anvende både elektron- og hul-kvanteprikker for at lette langdistancekobling," siger han. Huller er partikellignende enheder, der skabes i en halvleder, når en elektron exciteres. "Dette gennembrud har lagt grundlaget for en lovende kvantecomputerplatform baseret på solid-state spin-qubits," tilføjer han.

Nu har Stampfer og kolleger skubbet ideen videre ved at fremstille kvanteprikker fra tolagsgrafen. Her fungerer hvert grafenlag som en individuel kvanteprik, men interagerer tæt med sin modpart i det andet lag.

Tolagsgrafen kan fange elektroner og huller, når en ekstern spænding påføres over dem - hvilket skaber en unik portstruktur. Efter nylige bestræbelser på at reducere uorden i tolagsgrafens molekylære struktur, har Stampfers team nu nået en ny milepæl i denne forskningslinje.

Portindstilling

"I 2018 gjorde denne tilgang det først muligt fuldt ud at udnytte det unikke elektriske felt-inducerede båndgab i tolagsgrafen til at begrænse en enkelt ladningsbærer," forklarer Stampfer. "Ved yderligere at forbedre gate-tunerbarheden er det nu muligt at lave kvanteprikkerheder, der går ud over, hvad der kan gøres i kvanteprikmaterialer, herunder silicium, germanium eller galliumarsenid."

En vigtig fordel ved dobbeltlagsstrukturer er egenskaberne af spin-tilstande af kvanteprikkens elektroner og huller. Gennem deres eksperimenter opdagede holdet, at tilstandene for de individuelle elektroner og huller i et af grafenlagene er næsten perfekt afspejlet i det par, der findes i det andet lag.

"Vi viser, at dobbeltlags grafen elektron-hul dobbelte kvanteprikker har en næsten perfekt partikel-hul symmetri," fortsætter Stampfer. "Dette giver mulighed for transport gennem skabelse og tilintetgørelse af enkelte elektron-hul-par med modsatrettede kvantetal."

Disse resultater kan have vigtige konsekvenser for kvanteberegningssystemer, der bruger elektron-spin-qubits. Dette skyldes, at det burde være muligt at koble sådanne qubits sammen over længere afstande, mens deres spinsymmetriske tilstande udlæses mere pålideligt. Dette kunne i sidste ende gøre det muligt for kvantecomputere at blive langt mere skalerbare, sofistikerede og modstandsdygtige over for fejl end eksisterende designs.

Stampfers team forestiller sig også mange mulige applikationer ud over kvanteberegning. forudsige, hvordan tolags grafen kvanteprikker kunne danne grundlag for nanoskala-detektorer for terahertz-bølger og endda kunne kobles til superledere for at skabe effektive kilder til sammenfiltrede par af partikler.

Gennem deres fremtidige forskning vil forskerne nu sigte efter at dykke dybere ned i mulighederne for tolags grafen kvanteprikker; potentielt bringe deres udbredte anvendelse inden for kvanteteknologier et skridt nærmere.

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden