La simetría del agujero de electrones en puntos cuánticos se muestra prometedora para la computación cuántica – Physics World

La simetría del agujero de electrones en puntos cuánticos se muestra prometedora para la computación cuántica – Physics World

Marca de tiempo: 11 de junio de 2023 10:31 a.m.

Punto cuántico bicapa de grafeno
Ambos lados ahora: impresión artística de grafeno de dos capas con un punto cuántico doble simétrico de agujero de electrón, donde el electrón y el agujero están en capas diferentes. (Cortesía: Sebastián Staacks)

Se han observado varios fenómenos únicos que podrían beneficiar a la computación cuántica en puntos cuánticos hechos de grafeno bicapa. La investigación fue realizada por Christoph Stampfer en la Universidad RWTH Aachen y colegas en Alemania y Japón, quienes demostraron cómo la estructura puede albergar un electrón en una capa y un hueco en la otra. Además, los estados de espín cuántico de estas dos entidades son espejos casi perfectos entre sí.

Un punto cuántico es una pequeña pieza de semiconductor con propiedades electrónicas que se parecen más a un átomo que a un material a granel. Por ejemplo, un electrón en un punto cuántico se excita en una serie de niveles de energía cuantizados, como en un átomo. Esto es diferente a un sólido convencional, en el que los electrones se excitan en una banda de conducción. Este comportamiento similar al de un átomo se puede ajustar ajustando el tamaño y la forma del punto cuántico.

Se puede hacer un punto cuántico usando pequeñas piezas de grafeno, que es una lámina de carbono de solo un átomo de espesor. Dichos puntos cuánticos pueden estar hechos de una sola hoja de grafeno, dos hojas (grafeno bicapa) o más.

Interesantes qubits giratorios

Una aplicación prometedora de los puntos cuánticos de grafeno es la creación de bits cuánticos (qubits) que almacenan información cuántica en los estados de espín de los electrones. Como explica Stampfer, el desarrollo de los puntos cuánticos de grafeno tiene implicaciones importantes para el desarrollo de las computadoras cuánticas. “Los puntos cuánticos de grafeno, reconocidos por primera vez en 2007, surgieron como anfitriones interesantes para los qubits de espín, que pueden emplear puntos cuánticos de electrones y huecos para facilitar el acoplamiento de largo alcance”, dice. Los agujeros son entidades similares a partículas que se crean en un semiconductor cuando se excita un electrón. “Este avance ha sentado las bases para una prometedora plataforma de computación cuántica basada en qubits de espín de estado sólido”, agrega.

Ahora, Stampfer y sus colegas han llevado la idea más allá al fabricar puntos cuánticos a partir de grafeno bicapa. Aquí, cada capa de grafeno funciona como un punto cuántico individual, pero interactúa estrechamente con su contraparte en la otra capa.

El grafeno bicapa puede atrapar electrones y huecos cuando se les aplica un voltaje externo, creando una estructura de puerta única. Tras los esfuerzos recientes para reducir el desorden en la estructura molecular del grafeno bicapa, el equipo de Stampfer ha alcanzado un nuevo hito en esta línea de investigación.

Capacidad de ajuste de la puerta

"En 2018, este enfoque hizo posible por primera vez utilizar completamente la brecha de banda inducida por campo eléctrico única en el grafeno bicapa para confinar un solo portador de carga", explica Stampfer. "Al mejorar aún más la capacidad de ajuste de la puerta, ahora es posible fabricar dispositivos de puntos cuánticos que van más allá de lo que se puede hacer con materiales de puntos cuánticos, incluidos el silicio, el germanio o el arseniuro de galio".

Una ventaja clave de las estructuras bicapa son las propiedades de los estados de espín de los electrones y huecos de los puntos cuánticos. A través de sus experimentos, el equipo descubrió que los estados de los electrones individuales y los agujeros en una de las capas de grafeno se reflejan casi perfectamente en el par que se encuentra en la otra capa.

"Demostramos que los puntos cuánticos dobles de agujeros de electrones de grafeno bicapa tienen una simetría de agujeros de partículas casi perfecta", continúa Stampfer. "Esto permite el transporte a través de la creación y aniquilación de pares de agujeros de electrones individuales con números cuánticos opuestos".

Estos resultados podrían tener implicaciones importantes para los sistemas de computación cuántica que utilizan qubits de espín de electrones. Esto se debe a que debería ser posible acoplar dichos qubits en distancias más largas, mientras se leen sus estados simétricos de espín de manera más confiable. En última instancia, esto podría permitir que las computadoras cuánticas se vuelvan mucho más escalables, sofisticadas y resistentes a los errores que los diseños existentes.

El equipo de Stampfer también prevé muchas aplicaciones posibles más allá de la computación cuántica. prediciendo cómo los puntos cuánticos de grafeno bicapa podrían proporcionar una base para detectores a nanoescala para ondas de terahercios, e incluso podrían acoplarse a superconductores para crear fuentes eficientes de pares de partículas entrelazadas.

A través de su investigación futura, los investigadores ahora intentarán profundizar en las capacidades de los puntos cuánticos de grafeno bicapa; potencialmente acercando un paso más su aplicación generalizada en tecnologías cuánticas.

La investigación se describe en Naturaleza.

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