Elektron-gat-symmetrie in kwantumdots is veelbelovend voor kwantumcomputing - Physics World

Verschillende unieke fenomenen die kwantumcomputing ten goede kunnen komen, zijn waargenomen in kwantumdots gemaakt van dubbellaags grafeen. Het onderzoek is gedaan door Christoph Stampfer aan de RWTH Universiteit van Aken en collega's in Duitsland en Japan, die lieten zien hoe de structuur een elektron in de ene laag kan herbergen en een gat in de andere. Bovendien zijn de kwantumspintoestanden van deze twee entiteiten bijna perfecte spiegels van elkaar.

Een kwantumdot is een klein stukje halfgeleider met elektronische eigenschappen die meer op een atoom lijken dan op een bulkmateriaal. Een elektron in een kwantumdot wordt bijvoorbeeld geëxciteerd tot een reeks gekwantiseerde energieniveaus, net zoals in een atoom. Dit is anders dan een conventionele vaste stof, waarin elektronen worden geëxciteerd in een geleidingsband. Dit atoomachtige gedrag kan worden verfijnd door de grootte en vorm van de kwantumdot aan te passen.

Een kwantumdot kan worden gemaakt met behulp van kleine stukjes grafeen, een laag koolstof van slechts één atoom dik. Dergelijke kwantumdots kunnen worden gemaakt van slechts één vel grafeen, twee vellen (dubbellaags grafeen) of meer.

Interessante spinqubits

Een veelbelovende toepassing van kwantumstippen van grafeen is het maken van kwantumbits (qubits) die kwantuminformatie opslaan in de spintoestanden van elektronen. Zoals Stampfer uitlegt, heeft de ontwikkeling van kwantumdots in grafeen belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van kwantumcomputers. "Grafeen-kwantumstippen, voor het eerst herkend in 2007, kwamen naar voren als interessante gastheren voor spin-qubits, die kwantumdots van zowel elektronen als gaten kunnen gebruiken om koppeling over lange afstand mogelijk te maken", zegt hij. Gaten zijn deeltjesachtige entiteiten die ontstaan ​​in een halfgeleider wanneer een elektron wordt geëxciteerd. "Deze doorbraak heeft de basis gelegd voor een veelbelovend quantumcomputerplatform op basis van solid-state spinqubits", voegt hij eraan toe.

Nu hebben Stampfer en collega's het idee verder ontwikkeld door kwantumdots te fabriceren uit dubbellaags grafeen. Hier functioneert elke grafeenlaag als een individuele kwantumdot, maar werkt nauw samen met zijn tegenhanger in de andere laag.

Dubbellaags grafeen kan elektronen en gaten vangen wanneer er een externe spanning over wordt aangelegd, waardoor een unieke poortstructuur ontstaat. Na recente pogingen om wanorde in de moleculaire structuur van dubbellaags grafeen te verminderen, heeft het team van Stampfer nu een nieuwe mijlpaal bereikt in deze onderzoekslijn.

Afstembaarheid van de poort

"In 2018 maakte deze aanpak het voor het eerst mogelijk om de unieke door elektrische velden geïnduceerde bandafstand in dubbellaags grafeen volledig te benutten om een ​​enkele ladingsdrager te beperken", legt Stampfer uit. "Door de afstembaarheid van de poort verder te verbeteren, is het nu mogelijk om quantum dot-apparaten te maken die verder gaan dan wat kan worden gedaan in quantum dot-materialen, waaronder silicium, germanium of galliumarsenide."

Een belangrijk voordeel van dubbellaagse structuren zijn de eigenschappen van spintoestanden van de elektronen en gaten van de quantum dot. Door hun experimenten ontdekte het team dat de toestanden van de individuele elektronen en gaten in een van de grafeenlagen bijna perfect worden weerspiegeld in het paar in de andere laag.

"We laten zien dat dubbellaagse grafeen-elektronen-gat dubbele kwantumdots een bijna perfecte deeltjes-gat-symmetrie hebben", vervolgt Stampfer. "Dit maakt transport mogelijk door de creatie en vernietiging van enkele elektron-gatparen met tegengestelde kwantumgetallen."

Hoogwaardig dubbellaags grafeen wordt groot

Deze resultaten kunnen belangrijke implicaties hebben voor kwantumcomputersystemen die gebruikmaken van elektronen-spin-qubits. Dit komt omdat het mogelijk zou moeten zijn om dergelijke qubits over langere afstanden aan elkaar te koppelen, terwijl hun spinsymmetrische toestanden betrouwbaarder worden uitgelezen. Dit zou kwantumcomputers uiteindelijk in staat kunnen stellen veel schaalbaarder, geavanceerder en foutbestendiger te worden dan bestaande ontwerpen.

Het team van Stampfer voorziet ook veel mogelijke toepassingen die verder gaan dan kwantumcomputing. voorspellen hoe dubbellaagse kwantumdots van grafeen een basis zouden kunnen vormen voor detectoren op nanoschaal voor terahertz-golven, en zelfs zouden kunnen worden gekoppeld aan supergeleiders om efficiënte bronnen van verstrengelde deeltjesparen te creëren.

Door hun toekomstige onderzoek zullen de onderzoekers nu proberen dieper in te gaan op de mogelijkheden van dubbellaagse kwantumdots van grafeen; waardoor hun wijdverspreide toepassing in kwantumtechnologieën mogelijk een stap dichterbij komt.

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• EVM Financiën. Uniforme interface voor gedecentraliseerde financiën. Toegang hier.
• Quantum Media Groep. IR/PR versterkt. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/