Elektron-Loch-Symmetrie in Quantenpunkten ist vielversprechend für Quantencomputing – Physics World

In Quantenpunkten aus zweischichtigem Graphen wurden mehrere einzigartige Phänomene beobachtet, die dem Quantencomputing zugute kommen könnten. Die Recherche wurde durchgeführt von Christoph Stampfer an der RWTH Aachen und Kollegen in Deutschland und Japan, die zeigten, wie die Struktur in einer Schicht ein Elektron und in der anderen ein Loch beherbergen kann. Darüber hinaus sind die Quantenspinzustände dieser beiden Einheiten nahezu perfekte Spiegel voneinander.

Ein Quantenpunkt ist ein winziges Stück Halbleiter mit elektronischen Eigenschaften, die eher einem Atom als einem Massenmaterial ähneln. Beispielsweise wird ein Elektron in einem Quantenpunkt in eine Reihe quantisierter Energieniveaus angeregt – ähnlich wie in einem Atom. Dies ist anders als bei einem herkömmlichen Festkörper, bei dem Elektronen in ein Leitungsband angeregt werden. Dieses atomähnliche Verhalten kann durch Anpassung der Größe und Form des Quantenpunkts fein abgestimmt werden.

Ein Quantenpunkt kann aus winzigen Graphenstücken hergestellt werden, einer nur ein Atom dicken Kohlenstoffschicht. Solche Quantenpunkte können aus nur einer Graphenschicht, zwei Schichten (Doppelschicht-Graphen) oder mehr bestehen.

Interessante Spin-Qubits

Eine vielversprechende Anwendung von Graphen-Quantenpunkten ist die Erzeugung von Quantenbits (Qubits), die Quanteninformationen in den Spinzuständen von Elektronen speichern. Wie Stampfer erklärt, hat die Entwicklung von Graphen-Quantenpunkten wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung von Quantencomputern. „Graphen-Quantenpunkte, die erstmals 2007 entdeckt wurden, erwiesen sich als interessante Wirte für Spin-Qubits, die sowohl Elektronen- als auch Lochquantenpunkte nutzen können, um die Kopplung über große Entfernungen zu ermöglichen“, sagt er. Löcher sind teilchenartige Gebilde, die in einem Halbleiter entstehen, wenn ein Elektron angeregt wird. „Dieser Durchbruch hat den Grundstein für eine vielversprechende Quantencomputerplattform gelegt, die auf Festkörper-Spin-Qubits basiert“, fügt er hinzu.

Jetzt haben Stampfer und Kollegen die Idee weiter vorangetrieben, indem sie Quantenpunkte aus zweischichtigem Graphen hergestellt haben. Dabei fungiert jede Graphenschicht als einzelner Quantenpunkt, interagiert jedoch eng mit seinem Gegenstück in der anderen Schicht.

Doppelschichtiges Graphen kann Elektronen und Löcher einfangen, wenn eine externe Spannung an sie angelegt wird – wodurch eine einzigartige Gate-Struktur entsteht. Nach jüngsten Bemühungen, die Unordnung in der Molekülstruktur von Graphendoppelschichten zu reduzieren, hat Stampfers Team nun einen neuen Meilenstein in dieser Forschungsrichtung erreicht.

Gate-Abstimmbarkeit

„Im Jahr 2018 ermöglichte dieser Ansatz erstmals die vollständige Nutzung der einzigartigen, durch elektrische Felder induzierten Bandlücke in zweischichtigem Graphen, um einzelne Ladungsträger einzuschränken“, erklärt Stampfer. „Durch die weitere Verbesserung der Gate-Abstimmbarkeit ist es nun möglich, Quantenpunktgeräte herzustellen, die über das hinausgehen, was mit Quantenpunktmaterialien wie Silizium, Germanium oder Galliumarsenid möglich ist.“

Ein wesentlicher Vorteil von Doppelschichtstrukturen sind die Eigenschaften der Spinzustände der Elektronen und Löcher des Quantenpunkts. Durch ihre Experimente entdeckte das Team, dass die Zustände der einzelnen Elektronen und Löcher in einer der Graphenschichten nahezu perfekt in dem Paar in der anderen Schicht widergespiegelt sind.

„Wir zeigen, dass zweischichtige Graphen-Elektronen-Loch-Doppelquantenpunkte eine nahezu perfekte Teilchen-Loch-Symmetrie aufweisen“, fährt Stampfer fort. „Dies ermöglicht den Transport durch die Entstehung und Vernichtung einzelner Elektron-Loch-Paare mit entgegengesetzten Quantenzahlen.“

Hochwertiges zweischichtiges Graphen wird groß

Diese Ergebnisse könnten wichtige Auswirkungen auf Quantencomputersysteme haben, die Elektronenspin-Qubits verwenden. Denn es soll möglich sein, solche Qubits über längere Distanzen miteinander zu koppeln und gleichzeitig ihre spinsymmetrischen Zustände zuverlässiger auszulesen. Dies könnte letztendlich dazu führen, dass Quantencomputer weitaus skalierbarer, ausgefeilter und fehlerresistenter werden als bestehende Designs.

Stampfers Team sieht auch viele mögliche Anwendungen über das Quantencomputing hinaus. Vorhersage, wie zweischichtige Graphen-Quantenpunkte eine Grundlage für nanoskalige Detektoren für Terahertzwellen bilden und sogar an Supraleiter gekoppelt werden könnten, um effiziente Quellen für verschränkte Teilchenpaare zu schaffen.

Im Rahmen ihrer zukünftigen Forschung wollen die Forscher nun tiefer in die Fähigkeiten von zweischichtigen Graphen-Quantenpunkten eintauchen; möglicherweise ihrer breiten Anwendung in der Quantentechnologie einen Schritt näher zu kommen.

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/