Elektronhålssymmetri i kvantpunkter visar lovande för kvantberäkningar – Physics World

Flera unika fenomen som skulle kunna gynna kvantberäkning har observerats i kvantprickar gjorda av tvåskiktsgrafen. Undersökningen gjordes av Christoph Stampfer vid RWTH Aachen University och kollegor i Tyskland och Japan, som visade hur strukturen kan vara värd för en elektron i det ena lagret och ett hål i det andra. Vad mer är, kvantspinntillstånden för dessa två entiteter är nästan perfekta speglar av varandra.

En kvantpunkt är en liten bit av halvledare med elektroniska egenskaper som är mer som en atom än ett bulkmaterial. Till exempel exciteras en elektron i en kvantprick till en serie kvantiserade energinivåer - ungefär som i en atom. Detta är till skillnad från ett konventionellt fast ämne, där elektroner exciteras till ett ledningsband. Detta atomliknande beteende kan finjusteras genom att justera storleken och formen på kvantpunkten.

En kvantprick kan göras med hjälp av små bitar av grafen, som är ett ark av kol bara en atom tjockt. Sådana kvantprickar kan göras av bara ett ark grafen, två ark (dubbelskiktsgrafen) eller mer.

Intressanta spin qubits

En lovande tillämpning av grafenkvantprickar är att skapa kvantbitar (qubits) som lagrar kvantinformation i elektronernas spinntillstånd. Som Stampfer förklarar har utvecklingen av grafenkvantprickar viktiga konsekvenser för utvecklingen av kvantdatorer. "Graphene quantum dots, som först upptäcktes 2007, dök upp som intressanta värdar för spin qubits, som kan använda både elektron- och hålkvantprickar för att underlätta långdistanskoppling", säger han. Hål är partikelliknande enheter som skapas i en halvledare när en elektron exciteras. "Detta genombrott har lagt grunden för en lovande kvantberäkningsplattform baserad på solid-state spin-qubits", tillägger han.

Nu har Stampfer och kollegor drivit idén vidare genom att tillverka kvantprickar från tvåskiktsgrafen. Här fungerar varje grafenlager som en individuell kvantprick, men samverkar nära med sin motsvarighet i det andra lagret.

Tvåskiktsgrafen kan fånga in elektroner och hål när en extern spänning appliceras över dem - vilket skapar en unik grindstruktur. Efter de senaste försöken att minska störningar i tvåskiktsgrafens molekylstruktur, har Stampfers team nu nått en ny milstolpe inom denna forskningslinje.

Grindjustering

"Under 2018 gjorde detta tillvägagångssätt först möjligt att fullt ut utnyttja det unika elektriska fält-inducerade bandgapet i tvåskiktsgrafen för att begränsa en laddningsbärare," förklarar Stampfer. "Genom att ytterligare förbättra gate-tunerbarheten är det nu möjligt att göra kvantprickenheter som går utöver vad som kan göras i kvantprickmaterial inklusive kisel, germanium eller galliumarsenid."

En viktig fördel med dubbelskiktsstrukturer är egenskaperna hos spinntillstånden hos kvantpunktens elektroner och hål. Genom sina experiment upptäckte teamet att tillstånden för de enskilda elektronerna och hålen i ett av grafenlagren nästan perfekt speglas i paret som finns i det andra lagret.

"Vi visar att tvålagers grafen elektron-hål dubbla kvantprickar har en nästan perfekt partikel-hål symmetri," fortsätter Stampfer. "Detta möjliggör transport genom skapandet och förintelsen av enstaka elektron-hålpar med motsatta kvanttal."

Högkvalitativt tvåskiktsgrafen blir stort

Dessa resultat kan ha viktiga implikationer för kvantberäkningssystem som använder elektronspin-qubits. Detta beror på att det borde vara möjligt att koppla ihop sådana qubits över längre avstånd, samtidigt som de läser ut deras spinnsymmetriska tillstånd mer tillförlitligt. Detta kan i slutändan göra det möjligt för kvantdatorer att bli mycket mer skalbara, sofistikerade och motståndskraftiga mot fel än befintliga konstruktioner.

Stampfers team föreställer sig också många möjliga tillämpningar utöver kvantberäkning. förutsäga hur tvålagers grafenkvantprickar skulle kunna utgöra en grund för nanoskala detektorer för terahertzvågor, och till och med kunna kopplas till supraledare för att skapa effektiva källor för intrasslade partiklar.

Genom sin framtida forskning kommer forskarna nu att sikta på att fördjupa sig i kapaciteten hos kvantprickar i tvåskiktsgrafen; potentiellt föra deras utbredda tillämpning inom kvantteknik ett steg närmare.

Forskningen beskrivs i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• EVM Finans. Unified Interface for Decentralized Finance. Tillgång här.
• Quantum Media Group. IR/PR förstärkt. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/