Ett team av fysiker från Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) i Berlin, Tyskland, NTT Basic Research Laboratories i Atsugi, Japan, och U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har använt ett scanningstunnelmikroskop för att skapa kvantprickar med identiska, deterministiska storlekar. Den perfekta reproducerbarheten av dessa prickar öppnar dörren till kvantpunktsarkitekturer helt fria från okontrollerade variationer, ett viktigt mål för teknologier från nanofotonik till kvantinformationsbehandling samt för grundläggande studier. De fullständiga resultaten publiceras i julinumret 2014 av tidskriften Naturens nanoteknik .

Kvantprickar betraktas ofta som konstgjorda atomer eftersom, som riktiga atomer, de begränsar sina elektroner till kvantiserade tillstånd med diskreta energier. Men analogin bryter snabbt samman, för medan verkliga atomer är identiska, kvantprickar består vanligtvis av hundratals eller tusentals atomer - med oundvikliga variationer i deras storlek och form och, följaktligen, i deras egenskaper och beteende. Externa elektrostatiska grindar kan användas för att minska dessa variationer. Men det mer ambitiösa målet att skapa kvantprickar med inneboende perfekt trohet genom att helt eliminera statistiska variationer i deras storlek, form, och arrangemanget har länge varit svårfångat.

Att skapa atomärt exakta kvantprickar kräver att varje atom placeras på en exakt specificerad plats utan fel. Teamet samlade prickarna atom för atom, med hjälp av ett skanningstunnelmikroskop (STM), och förlitade sig på en atomärt exakt ytmall för att definiera ett gitter av tillåtna atompositioner. Mallen var ytan av en InAs-kristall, som har ett regelbundet mönster av indiumvakanser och en låg koncentration av naturliga indiumadatomer adsorberade ovanför vakansställena. Adatomerna är joniserade +1-givare och kan flyttas med STM-spetsen genom vertikal atommanipulation. Teamet samlade kvantprickar bestående av linjära kedjor av N =6 till 25 indiumatomer; exemplet som visas här är en kedja med 22 atomer.

Stefan Fölsch, en fysiker vid PDI som ledde laget, förklarade att "de joniserade indium-adatomerna bildar en kvantpunkt genom att skapa en elektrostatisk brunn som begränsar elektroner som normalt är associerade med ett yttillstånd hos InAs-kristallen. De kvantiserade tillstånden kan sedan sonderas och kartläggas genom att skanna tunnelspektroskopimätningar av differentialkonduktansen." Dessa spektra visar en serie resonanser märkta av det huvudsakliga kvanttalet n. Rumsliga kartor avslöjar vågfunktionerna för dessa kvantiserade tillstånd, som har n lober och n - 1 noder längs kedjan, exakt som förväntat för en kvantmekanisk elektron i en låda. För exemplet med 22-atomer, tillstånden upp till n =6 visas.

Eftersom indiumatomerna är strikt begränsade till det vanliga gittret av lediga platser, varje kvantprick med N-atomer är i huvudsak identisk, utan någon inneboende variation i storlek, form, eller position. Detta betyder att kvantpunkts-"molekyler" som består av flera kopplade kedjor kommer att reflektera samma invarians. Steve Erwin, en fysiker vid NRL och teamets teoretiker, påpekade att "detta i hög grad förenklar uppgiften att skapa, skydda, och kontrollerar degenererade tillstånd i kvantpunktmolekyler, vilket är en viktig förutsättning för många tekniker." Inom kvantberäkning, till exempel, qubits med dubbelt degenererade grundtillstånd erbjuder skydd mot miljömässig dekoherens. Genom att kombinera kvantpunktmolekylernas invarians med den inneboende symmetrin hos InAs vakansgittret, teamet skapade degenererade tillstånd som är överraskande motståndskraftiga mot miljöstörningar av defekter. I exemplet som visas här, en molekyl med perfekt trefaldig rotationssymmetri skapades först och dess tvåfaldiga degenererade tillstånd demonstrerades experimentellt. Genom att avsiktligt bryta symmetrin, teamet fann att degenerationen gradvis avlägsnades, slutföra demonstrationen.

Reproducerbarheten och högtroheten som erbjuds av dessa kvantprickar gör dem till utmärkta kandidater för att studera grundläggande fysik som vanligtvis döljs av stokastiska variationer i storlek, form, eller kedjornas position. Ser fram emot, teamet förutser också att eliminering av okontrollerade variationer i kvantpunktsarkitekturer kommer att erbjuda många fördelar för ett brett utbud av framtida kvantprickteknologier där trohet är viktigt.