La simmetria elettrone-lacuna nei punti quantici è promettente per il calcolo quantistico – Physics World

Diversi fenomeni unici che potrebbero giovare al calcolo quantistico sono stati osservati nei punti quantici realizzati con grafene a doppio strato. La ricerca è stata fatta da Christoph Stampfer della RWTH Aachen University e colleghi in Germania e Giappone, che hanno mostrato come la struttura possa ospitare un elettrone in uno strato e una lacuna nell'altro. Inoltre, gli stati di spin quantistico di queste due entità sono quasi uno specchio perfetto l'uno dell'altro.

Un punto quantico è un minuscolo pezzo di semiconduttore con proprietà elettroniche che sono più simili a un atomo che a un materiale sfuso. Ad esempio, un elettrone in un punto quantico viene eccitato in una serie di livelli energetici quantizzati, proprio come in un atomo. Questo è diverso da un solido convenzionale, in cui gli elettroni sono eccitati in una banda di conduzione. Questo comportamento simile all'atomo può essere messo a punto regolando la dimensione e la forma del punto quantico.

Un punto quantico può essere realizzato utilizzando minuscoli pezzi di grafene, che è un foglio di carbonio spesso solo un atomo. Tali punti quantici possono essere costituiti da un solo foglio di grafene, due fogli (grafene a doppio strato) o più.

Interessanti spin qubit

Una promettente applicazione dei punti quantici di grafene è la creazione di bit quantici (qubit) che immagazzinano informazioni quantistiche negli stati di spin degli elettroni. Come spiega Stampfer, lo sviluppo di punti quantici di grafene ha importanti implicazioni per lo sviluppo di computer quantistici. "I punti quantici di grafene, riconosciuti per la prima volta nel 2007, sono emersi come ospiti interessanti per gli spin qubit, che possono impiegare punti quantici sia di elettroni che di lacune per facilitare l'accoppiamento a lungo raggio", afferma. I buchi sono entità simili a particelle che vengono create in un semiconduttore quando un elettrone viene eccitato. "Questa svolta ha gettato le basi per una promettente piattaforma di calcolo quantistico basata su spin qubit a stato solido", aggiunge.

Ora, Stampfer e colleghi hanno spinto ulteriormente l'idea fabbricando punti quantici dal grafene a doppio strato. Qui, ogni strato di grafene funziona come un singolo punto quantico, ma interagisce strettamente con la sua controparte nell'altro strato.

Il grafene a doppio strato può intrappolare elettroni e lacune quando viene applicata una tensione esterna su di essi, creando una struttura di gate unica. A seguito dei recenti sforzi per ridurre il disordine nella struttura molecolare del grafene a doppio strato, il team di Stampfer ha ora raggiunto una nuova pietra miliare in questa linea di ricerca.

Accordabilità del gate

«Nel 2018, questo approccio ha permesso per la prima volta di utilizzare appieno l'esclusivo band gap indotto dal campo elettrico nel grafene a doppio strato per confinare il singolo vettore di carica», spiega Stampfer. “Migliorando ulteriormente la sintonizzazione del gate, è ora possibile realizzare dispositivi a punti quantici che vanno oltre ciò che si può fare con materiali a punti quantici tra cui silicio, germanio o arseniuro di gallio”.

Un vantaggio chiave delle strutture a doppio strato sono le proprietà degli stati di spin degli elettroni e delle lacune del punto quantico. Attraverso i loro esperimenti, il team ha scoperto che gli stati dei singoli elettroni e delle lacune in uno degli strati di grafene si rispecchiano quasi perfettamente nella coppia che si trova nell'altro strato.

“Mostriamo che i doppi punti quantici a doppio strato di grafene elettrone-lacuna hanno una simmetria particella-lacuna quasi perfetta”, continua Stampfer. "Ciò consente il trasporto attraverso la creazione e l'annichilazione di singole coppie elettrone-lacuna con numeri quantici opposti".

Il grafene a doppio strato di alta qualità va alla grande

Questi risultati potrebbero avere importanti implicazioni per i sistemi di calcolo quantistico che utilizzano qubit con spin elettronico. Questo perché dovrebbe essere possibile accoppiare tali qubit insieme su distanze maggiori, leggendo i loro stati di rotazione simmetrica in modo più affidabile. Ciò potrebbe in definitiva consentire ai computer quantistici di diventare molto più scalabili, sofisticati e resistenti agli errori rispetto ai progetti esistenti.

Il team di Stampfer prevede anche molte possibili applicazioni al di là del calcolo quantistico. prevedendo come i punti quantici di grafene a doppio strato potrebbero fornire una base per rivelatori su nanoscala per onde terahertz e potrebbero persino essere accoppiati a superconduttori per creare fonti efficienti di coppie di particelle entangled.

Attraverso la loro ricerca futura, i ricercatori mireranno ora ad approfondire le capacità dei punti quantici di grafene a doppio strato; avvicinando potenzialmente la loro diffusa applicazione nelle tecnologie quantistiche.

La ricerca è descritta in Natura.

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