• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Kopplade kvantpunkter kan erbjuda ett nytt sätt att lagra kvantinformation

    Bild på ett nytt system av kopplade kvantprickar tagna med ett scanningstunnelmikroskop visar elektroner som kretsar inom två koncentriska uppsättningar med nära åtskilda ringar, åtskilda av ett gap. Den inre uppsättningen ringar representerar en kvantpunkt; det yttre, ljusare uppsättning representerar en större, yttre kvantpunkt. Kredit:NIST

    Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har för första gången skapat och avbildat ett nytt par kvantprickar - små öar med begränsad elektrisk laddning som fungerar som samverkande artificiella atomer. Sådana "kopplade" kvantpunkter kan fungera som en robust kvantbit, eller qubit, den grundläggande informationsenheten för en kvantdator. Dessutom, mönstren för elektrisk laddning på ön kan inte helt förklaras av nuvarande modeller för kvantfysik, erbjuder en möjlighet att undersöka rika nya fysiska fenomen i material.

    Till skillnad från en klassisk dator, som bygger på binära bitar som bara har ett av två fasta värden - "1" eller "0" - för att lagra minne, en kvantdator skulle lagra och behandla information i qubits, som samtidigt kan anta en mängd värden. Därför, de kunde prestera mycket större, mer komplexa operationer än klassiska bitar och har potential att revolutionera datorer.

    Elektroner kretsar i mitten av en enda kvantpunkt liknande det sätt de kretsar runt atomer på. De laddade partiklarna kan endast uppta specifika tillåtna energinivåer. Vid varje energinivå, en elektron kan uppta en rad möjliga positioner i pricken, spåra ut en bana vars form bestäms av kvantteorins regler. Ett par kopplade kvantprickar kan dela en elektron mellan dem, bildar en qubit.

    För att tillverka kvantprickarna, det NIST-ledda laget, som inkluderade forskare från University of Maryland NanoCenter och National Institute for Materials Science i Japan, använde den ultrasharp spetsen av ett skanningstunnelmikroskop (STM) som om det vore en stylus av en Etch A Sketch. Svävar spetsen ovanför ett ultrakallt ark av grafen (ett enda lager kolatomer arrangerade i ett bikakemönster), forskarna ökade kort spetsens spänning.

    Det elektriska fältet som genereras av spänningspulsen trängde igenom grafen in i ett underliggande lager av bornitrid, där den avlägsnade elektroner från atomföroreningar i skiktet och skapade en hög elektrisk laddning. Pileupen korrelerade fritt flytande elektroner i grafen, begränsa dem till en liten energibrunn.

    Men när laget applicerade ett magnetfält på 4 till 8 tesla (cirka 400 till 800 gånger styrkan hos en liten stångmagnet), det förändrade dramatiskt formen och fördelningen av de banor som elektronerna kunde uppta. Snarare än en enda brunn, elektronerna bodde nu inom två uppsättningar koncentriska, tätt åtskilda ringar i den ursprungliga brunnen åtskilda av ett litet tomt skal. De två uppsättningarna ringar för elektronerna betedde sig nu som om de var svagt kopplade kvantpunkter.

    Detta är första gången som forskare har undersökt interiören i ett kopplat kvantpunktsystem så djupt, avbildning av fördelningen av elektroner med atomupplösning (se illustration), noterade NIST-medförfattaren Daniel Walkup. För att ta högupplösta bilder och spektra av systemet, laget utnyttjade ett speciellt förhållande mellan storleken på en kvantpunkt och avståndet mellan energinivåerna i de kretsande elektronerna:Ju mindre prick, desto större avstånd, och desto lättare är det att skilja mellan intilliggande energinivåer.

    I en tidigare kvantpunktstudie med grafen, laget applicerade ett mindre magnetfält och hittade en struktur av ringar, liknar en bröllopstårta, centrerad på en enda kvantpunkt, som är ursprunget till de koncentriska kvantprickringarna. Genom att använda STM -spetsen för att konstruera punkter ungefär halva diametern (100 nanometer) för punkter som de tidigare hade studerat, forskarna lyckades avslöja hela strukturen för det kopplade systemet.

    Laget, som inkluderade Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez och Joseph Stroscio vid NIST och Maryland NanoCenter, beskriver sina fynd idag i Fysisk granskning B .

    Det sätt på vilket elektronerna delas mellan de två kopplade prickarna kan inte förklaras av accepterade modeller för kvantpunktsfysik, sa Walkup. Detta pussel kan vara viktigt att lösa om kopplade kvantprickar så småningom ska användas som qubits i kvantberäkning, Stroscio noterade.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com