I ett litet kvantfängelse, elektroner beter sig helt annorlunda jämfört med sina motsvarigheter i ledigt utrymme. De kan bara uppta diskreta energinivåer, ungefär som elektronerna i en atom - av denna anledning, sådana elektronfängelser kallas ofta "konstgjorda atomer". Konstgjorda atomer kan också ha egenskaper utöver de hos konventionella, med potential för många tillämpningar till exempel inom kvantberäkning. Sådana ytterligare egenskaper har nu visats för konstgjorda atomer i kolmaterialet grafen. Resultaten har publicerats i tidskriften Nanobokstäver , projektet var ett samarbete mellan forskare från TU Wien (Wien, Österrike), RWTH Aachen (Tyskland) och University of Manchester (GB).

Bygga konstgjorda atomer

"Konstgjorda atomer öppnar upp nya, spännande möjligheter, eftersom vi kan justera deras egenskaper direkt", säger professor Joachim Burgdörfer (TU Wien, Wien). I halvledarmaterial som galliumarsenid, att fånga elektroner i små inneslutningar har redan visat sig vara möjligt. Dessa strukturer kallas ofta för "kvantprickar". Precis som i en atom, där elektronerna bara kan cirkla runt kärnan på vissa banor, elektroner i dessa kvantprickar tvingas in i diskreta kvanttillstånd.

Ännu mer intressanta möjligheter öppnas genom att använda grafen, ett material som består av ett enda lager av kolatomer, som har väckt stor uppmärksamhet de senaste åren. "I de flesta material, elektroner kan uppta två olika kvanttillstånd vid en given energi. Den höga symmetrin hos grafengittret möjliggör fyra olika kvanttillstånd. Detta öppnar nya vägar för bearbetning och lagring av kvantinformation", förklarar Florian Libisch från TU Wien. att skapa välkontrollerade artificiella atomer i grafen visade sig vara extremt utmanande.

Det räcker inte med skärande kant

Det finns olika sätt att skapa konstgjorda atomer:Det enklaste är att sätta elektroner i små flingor, skär ut ur ett tunt lager av materialet. Även om detta fungerar för grafen, materialets symmetri bryts av flingans kanter som aldrig kan bli helt jämna. Följaktligen, den speciella fyrfaldiga mångfalden av tillstånd i grafen reduceras till den konventionella tvåfaldiga.

Därför, olika sätt måste hittas:Det är inte nödvändigt att använda små grafenflingor för att fånga elektroner. Att använda smarta kombinationer av elektriska och magnetiska fält är ett mycket bättre alternativ. Med spetsen på ett scanningstunnelmikroskop, ett elektriskt fält kan appliceras lokalt. På det sättet, ett litet område skapas inom grafenytan, där lågenergielektroner kan fångas. På samma gång, elektronerna tvingas in i små cirkulära banor genom att applicera ett magnetfält. "Om vi ​​bara skulle använda ett elektriskt fält, kvanteffekter gör att elektronerna snabbt kan lämna fällan", förklarar Libisch.

De konstgjorda atomerna mättes vid RWTH Aachen av Nils Freitag och Peter Nemes-Incze i professor Markus Morgensterns grupp. Simuleringar och teoretiska modeller utvecklades vid TU Wien (Wien) av Larisa Chizhova, Florian Libisch och Joachim Burgdörfer. Det exceptionellt rena grafenprovet kom från teamet kring Andre Geim och Kostya Novoselov från Manchester (GB) - dessa två forskare tilldelades Nobelpriset 2010 för att ha skapat grafenark för första gången.

De nya artificiella atomerna öppnar nu upp nya möjligheter för många kvantteknologiska experiment:"Fyra lokaliserade elektrontillstånd med samma energi gör det möjligt att växla mellan olika kvanttillstånd för att lagra information", säger Joachim Burgdörfer. Elektronerna kan bevara godtyckliga superpositioner under lång tid, idealiska egenskaper för kvantdatorer. Dessutom, den nya metoden har den stora fördelen med skalbarhet:det borde vara möjligt att passa många sådana artificiella atomer på ett litet chip för att kunna använda dem för kvantinformationstillämpningar.