A simetria elétron-buraco em pontos quânticos mostra promessa para a computação quântica – Physics World

Vários fenômenos únicos que poderiam beneficiar a computação quântica foram observados em pontos quânticos feitos de grafeno de duas camadas. A pesquisa foi feita por Christoph Stampfer na RWTH Aachen University e colegas na Alemanha e no Japão, que mostraram como a estrutura pode hospedar um elétron em uma camada e um buraco na outra. Além disso, os estados de spin quântico dessas duas entidades são espelhos quase perfeitos um do outro.

Um ponto quântico é um pequeno pedaço de semicondutor com propriedades eletrônicas que são mais parecidas com um átomo do que com um material a granel. Por exemplo, um elétron em um ponto quântico é excitado em uma série de níveis de energia quantizados – muito parecido com um átomo. Isso é diferente de um sólido convencional, no qual os elétrons são excitados em uma banda de condução. Esse comportamento semelhante ao átomo pode ser ajustado ajustando o tamanho e a forma do ponto quântico.

Um ponto quântico pode ser feito usando pequenos pedaços de grafeno, que é uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura. Esses pontos quânticos podem ser feitos de apenas uma folha de grafeno, duas folhas (grafeno de duas camadas) ou mais.

Qubits de spin interessantes

Uma aplicação promissora de pontos quânticos de grafeno é criar bits quânticos (qubits) que armazenam informações quânticas nos estados de spin dos elétrons. Como explica Stampfer, o desenvolvimento de pontos quânticos de grafeno tem implicações importantes para o desenvolvimento de computadores quânticos. “Os pontos quânticos de grafeno, reconhecidos pela primeira vez em 2007, surgiram como hospedeiros interessantes para qubits de spin, que podem empregar pontos quânticos de elétrons e buracos para facilitar o acoplamento de longo alcance”, diz ele. Buracos são entidades semelhantes a partículas que são criadas em semicondutores quando um elétron é excitado. “Esse avanço lançou as bases para uma promissora plataforma de computação quântica baseada em qubits de spin de estado sólido”, acrescenta.

Agora, Stampfer e seus colegas levaram a ideia adiante ao fabricar pontos quânticos a partir de grafeno de duas camadas. Aqui, cada camada de grafeno funciona como um ponto quântico individual, mas interage intimamente com sua contraparte na outra camada.

O grafeno bicamada pode prender elétrons e buracos quando uma tensão externa é aplicada através deles – criando uma estrutura de porta única. Após esforços recentes para reduzir a desordem na estrutura molecular do grafeno bicamada, a equipe de Stampfer alcançou um novo marco nessa linha de pesquisa.

Sintonização de gate

“Em 2018, essa abordagem tornou possível utilizar totalmente o intervalo de banda induzido por campo elétrico exclusivo no grafeno de camada dupla para confinar o portador de carga única”, explica Stampfer. “Ao melhorar ainda mais a capacidade de ajuste do portão, agora é possível fazer dispositivos de pontos quânticos que vão além do que pode ser feito em materiais de pontos quânticos, incluindo silício, germânio ou arsenieto de gálio”.

Uma vantagem chave das estruturas de bicamadas são as propriedades dos estados de spin dos elétrons e buracos do ponto quântico. Por meio de seus experimentos, a equipe descobriu que os estados dos elétrons e buracos individuais em uma das camadas de grafeno são quase perfeitamente espelhados no par encontrado na outra camada.

“Mostramos que os pontos quânticos duplos de buraco de elétron de grafeno de bicamada têm uma simetria de buraco de partícula quase perfeita”, continua Stampfer. “Isso permite o transporte através da criação e aniquilação de pares únicos de elétron-buraco com números quânticos opostos”.

O grafeno bicamada de alta qualidade aumenta

Esses resultados podem ter implicações importantes para sistemas de computação quântica que usam qubits de spin de elétrons. Isso ocorre porque deve ser possível acoplar esses qubits em distâncias mais longas, enquanto lê seus estados simétricos de rotação de maneira mais confiável. Isso poderia permitir que os computadores quânticos se tornassem muito mais escaláveis, sofisticados e resistentes a erros do que os projetos existentes.

A equipe de Stampfer também prevê muitas aplicações possíveis além da computação quântica. prevendo como os pontos quânticos de grafeno bicamada poderiam fornecer uma base para detectores em nanoescala para ondas terahertz e poderiam até ser acoplados a supercondutores para criar fontes eficientes de pares de partículas emaranhadas.

Por meio de suas pesquisas futuras, os pesquisadores agora pretendem aprofundar as capacidades dos pontos quânticos de grafeno de camada dupla; potencialmente aproximando sua ampla aplicação em tecnologias quânticas.

A pesquisa é descrita em Natureza.

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