Elektron-hullsymmetri i kvanteprikker viser løftet for kvanteberegning – Physics World

Elektron-hullsymmetri i kvanteprikker viser løftet for kvanteberegning – Physics World

Tidsstempel: 11. juni 2023 10:31

Grafen tolags kvanteprikk
Begge sider nå: kunstnerens inntrykk av tolags grafen med en elektronhullssymmetrisk dobbel kvanteprikk, hvor elektronet og hullet er i forskjellige lag. (Med tillatelse: Sebastian Staacks)

Flere unike fenomener som kan være til nytte for kvanteberegning har blitt observert i kvanteprikker laget av tolags grafen. Undersøkelsen ble gjort av Christoph Stampfer ved RWTH Aachen University og kolleger i Tyskland og Japan, som viste hvordan strukturen kan være vert for et elektron i det ene laget og et hull i det andre. Dessuten er kvantespinntilstandene til disse to enhetene nesten perfekte speil av hverandre.

En kvanteprikk er et lite stykke halvleder med elektroniske egenskaper som er mer som et atom enn et bulkmateriale. For eksempel blir et elektron i en kvanteprikk begeistret til en rekke kvantiserte energinivåer - omtrent som i et atom. Dette er i motsetning til et konvensjonelt fast stoff, der elektroner eksiteres inn i et ledningsbånd. Denne atomlignende oppførselen kan finjusteres ved å justere størrelsen og formen på kvanteprikken.

En kvanteprikk kan lages ved hjelp av bittesmå biter av grafen, som er et ark med karbon bare ett atom tykt. Slike kvanteprikker kan være laget av bare ett ark grafen, to ark (tolags grafen) eller mer.

Interessante spinn-qubits

En lovende anvendelse av grafen kvanteprikker er å lage kvantebiter (qubits) som lagrer kvanteinformasjon i spinntilstandene til elektroner. Som Stampfer forklarer, har utviklingen av grafen kvanteprikker viktige implikasjoner for utviklingen av kvantedatamaskiner. "Graphene quantum dots, først anerkjent i 2007, dukket opp som interessante verter for spin qubits, som kan bruke både elektron- og hullkvanteprikker for å lette langdistansekobling," sier han. Hull er partikkellignende enheter som skapes i en halvleder når et elektron eksiteres. "Dette gjennombruddet har lagt grunnlaget for en lovende kvantedatabehandlingsplattform basert på solid-state spin qubits," legger han til.

Nå har Stampfer og kolleger presset ideen videre ved å fremstille kvanteprikker fra tolags grafen. Her fungerer hvert grafenlag som en individuell kvanteprikk, men samhandler tett med motparten i det andre laget.

Tolagsgrafen kan fange elektroner og hull når en ekstern spenning påføres over dem – og skaper en unik portstruktur. Etter nylige forsøk på å redusere uorden i tolagsgrafens molekylstruktur, har Stampfers team nå nådd en ny milepæl i denne forskningslinjen.

Innstilling av port

"I 2018 gjorde denne tilnærmingen det først mulig å fullt ut utnytte det unike elektriske feltinduserte båndgapet i tolagsgrafen for å begrense en enkelt ladningsbærer," forklarer Stampfer. "Ved å forbedre portavstemmingen ytterligere, er det nå mulig å lage kvantepunktenheter som går utover det som kan gjøres i kvantepunktmaterialer, inkludert silisium, germanium eller galliumarsenid."

En sentral fordel med tolagsstrukturer er egenskapene til spinntilstander til kvanteprikkens elektroner og hull. Gjennom sine eksperimenter oppdaget teamet at tilstandene til de individuelle elektronene og hullene i et av grafenlagene er nesten perfekt speilet i paret som finnes i det andre laget.

"Vi viser at tolags grafen elektron-hull doble kvanteprikker har en nesten perfekt partikkel-hull symmetri," fortsetter Stampfer. "Dette gir mulighet for transport gjennom opprettelse og utslettelse av enkelt elektron-hull-par med motsatte kvantetall."

Disse resultatene kan ha viktige implikasjoner for kvantedatabehandlingssystemer som bruker elektron-spinn-qubits. Dette er fordi det burde være mulig å koble slike qubits sammen over lengre avstander, mens de leser ut deres spinnsymmetriske tilstander mer pålitelig. Dette kan til slutt gjøre det mulig for kvantedatamaskiner å bli langt mer skalerbare, sofistikerte og motstandsdyktige mot feil enn eksisterende design.

Stampfers team ser også for seg mange mulige applikasjoner utover kvantedatabehandling. å forutsi hvordan tolags grafenkvanteprikker kan gi grunnlag for nanoskala-detektorer for terahertz-bølger, og kan til og med kobles til superledere for å skape effektive kilder til sammenfiltrede par av partikler.

Gjennom sin fremtidige forskning vil forskerne nå ta sikte på å dykke dypere inn i egenskapene til tolags grafen kvanteprikker; potensielt bringe deres utbredte anvendelse innen kvanteteknologier et skritt nærmere.

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden