Två nya material, var och en består av ett enda atomskikt och spetsen på ett skanningstunnelmikroskop, är ingredienserna för en ny sorts kvantpunkt. Dessa extremt små nanostrukturer möjliggör känslig kontroll av enskilda elektroner genom att finjustera deras energinivåer direkt. Sådana enheter är nyckeln till modern kvantteknik.

De teoretiska simuleringarna för den nya tekniken utfördes i teamet av prof. Florian Libisch och prof. Joachim Burgdörfer vid TU Wien. Experimentet involverade gruppen av prof. Markus Morgenstern vid RWTH Aachen och teamet kring Nobelpristagarna Andre Geim och Kostya Novoselov från Manchester, som förberett proverna. Resultaten har nu publicerats i Naturnanoteknik .

"För många tillämpningar inom kvantteknologi, vi kräver ett kvantsystem där elektroner upptar två tillstånd, på eller av, med den skillnaden att kvantfysiken också möjliggör godtyckliga superpositioner av på och av tillstånd, "förklarar Florian Libisch från Institute for Theoretical Physics vid TU Wien.

En nyckelegenskap hos sådana system är energiskillnaden mellan de två kvanttillstånden:"Effektiv manipulering av informationen som lagras i elektronernas kvanttillstånd kräver perfekt kontroll av systemparametrarna. Ett idealiskt system möjliggör kontinuerlig inställning av energiskillnaden från noll till ett stort värde, säger Libisch.

För system som finns i naturen - t.ex. atomer - detta är vanligtvis svårt att inse. Atomtillståndens energier, och därav deras skillnader, är fixade. Stämningsenergier blir möjliga i syntetiska nanostrukturer konstruerade för att begränsa elektroner. Sådana strukturer kallas ofta kvantprickar, eller "konstgjorda atomer".

Det internationella forskargruppen vid TU Wien, RWTH Aachen och University of Manchester har lyckats utveckla en ny typ av kvantprickar som möjliggör mycket mer exakt och bredare justerbara energinivåer hos begränsade elektroner än tidigare. Detta möjliggjordes genom att kombinera två mycket speciella material:grafen, ett ledande enda atomlager av kolatomer, och sexkantig bornitrid, också ett enda materialskikt som liknar grafen förutom att det är isolerande.

Precis som grafen, bornitrid bildar också ett bikakegitter. "Honungskakorna i grafen och sexkantig bornitrid är, dock, inte exakt lika stor, "förklarar Florian Libisch." Om du försiktigt lägger ett enda lager grafen ovanpå sexkantiga bornitrid, lagren kan inte perfekt matcha. Denna lilla felaktighet skapar en överbyggnad över avstånd på flera nanometer, vilket resulterar i en extremt regelbunden vågliknande rumslig oscillation av grafenskiktet ur det perfekta planet. "

Som de omfattande simuleringarna på TU Wien visar, dessa exakta svängningar i grafen på sexkantiga bornitrid bildar den idealiska byggnadsställningen för att styra elektronenergier. Det potentiella landskapet som skapas av den vanliga överbyggnaden möjliggör exakt placering av kvantpunkten, eller till och med flytta den kontinuerligt och därmed smidigt ändra dess egenskaper. Beroende på den exakta positionen för spetsen av skanningstunnelmikroskopet, energinivåerna i de elektroniska tillstånden inuti kvantpunkten ändras. "Ett skift med några nanometer gör det möjligt att ändra energiskillnaden för två närliggande energinivåer från minus fem till plus tio millielektronvolt med hög noggrannhet - ett avstämningsintervall som är cirka 50 gånger större än tidigare möjligt, "förklarar Florian Libisch.

Som ett nästa steg, spetsen på skanningstunnelmikroskopet kan ersättas av en serie nanoelektroniska grindar. Detta skulle möjliggöra utnyttjande av kvantpunkttillstånden för grafen på hexagonal bornitrid för skalbar kvantteknik som "valleytronics".

"Det nya fältet som växer fram blir snabbt ett centrum för uppmärksamhet, "säger Florian Libisch." Det finns flera potentiella tekniska tillämpningar av dessa atomiskt tunna material-det är också därför som TU Wien också nyligen har inrättat en särskild doktorskola med inriktning på tvådimensionella material. "