Den första demonstrationen av grafen dubbla kvantprickar där det är möjligt att kontrollera antalet elektroner ner till noll har rapporterats i Nanobokstäver . Långt ifrån ett abstrakt akademiskt jippo, resultaten kan visa sig vara nyckeln till framtida implementeringar av kvantberäkning baserad på grafen. "Att ha exakt information och kontroll över antalet elektroner i prickarna är viktigt för spinnbaserad kvantinformationsteknologi, säger Luca Banszerus, en forskare vid RWTH Aachen University i Tyskland och den första författaren till artikeln som rapporterar dessa resultat.

Även om denna nivå av kontroll har visats i enstaka kvantprickar, detta är den första demonstrationen i grafen dubbla kvantprickar, som är särskilt användbara som spin qubits. "Att använda en dubbelpunkt underlättar kraftigt avläsningen av elektronens spinntillstånd och implementeringen av kvantgrindar, ", tillägger Banszerus.

Mindre kantiga kvantprickar

Tanken på att använda grafen i kvantpunkter går tillbaka nästan så långt tillbaka som de första rapporterna om materialets isolering 2004. Grafen har nästan ingen spin-omloppsinteraktion och väldigt lite hyperfin koppling, vilket skulle tyda på att spin-livslängderna kan vara extremt långa. Tyvärr, kvantprickar som är fysiskt etsade från större grafenflingor stöter på problem på grund av att oordningen vid punktens kanter stör materialets beteende. Som ett resultat, transportbeteendet för dessa kvantprickar domineras av lokaliserade tillstånd vid kanterna. "Detta leder till en okänd effektiv kvantprickstorlek och en ockupation av typiskt många elektroner, säger Banszerus.

Istället, Banszerus och kollegor vid RWTH Aachen och National Institute of Materials Science i Japan arbetar med tvåskiktsgrafen, som kan ställas in för att vara en halvledare. En spänning som appliceras på specifika områden i en tvåskiktsgrafenflinga kan ändra dessa regioner så att de beter sig som isolatorer, elektrostatiskt definiera en kvantpunkt som inte har några kanttillstånd i närheten.

Aachen-forskarna tar bort enkla flingor av tvåskiktsgrafen från grafit (mekanisk exfoliering) och hanterar det med en torr pick-up-teknik som är beroende av van der Waals-interaktioner. De kapslar in dubbelskiktet grafen i hexagonal bornitrid (hBN) kristall. De placerar sedan strukturen på en grafitflinga, som fungerar som bottenelektrod, och lägg till krom- och guldspaltportar och fingerportar separerade från de delade portarna av ett 30 nm tjockt lager av atomlager avsatt Al ₂ O ₃ .

De kunde kontrollera antalet elektroner på kvantprickarna genom att applicera en spänning, vilket också påverkade tunnelkopplingen mellan prickarna. Som ett resultat, när den totala ockupationen av de två kvantpunkterna överstiger åtta elektroner, de börjar bete sig som en enda kvantprick, snarare än en dubbel kvantprick. Transportmätningar avslöjade också att antalet elektroner laddade på kvantpunkten kunde styras ner till noll elektroner.

Idén att definiera kvantprickar i tvåskiktsgrafen elektrostatiskt på detta sätt är inte ny. Dock, även om olika grupper har försökt detta tillvägagångssätt sedan 2010, processen krävde nyligen upptäckta knep, såsom bättre inkapsling i hBN och användning av grafitflingor som grindar för att få ett rent bandgap. Banszerus säger att denna utveckling kom som en ganska överraskning och återupplivade intresset för grafenkvantprickar 2018. Han hoppas att de möjligheter de nu har visat kommer att ytterligare väcka aktivitet inom detta område.

Kopplingskontroll

"Även om att kunna kontrollera antalet laddningar i en dubbelprick av grafen är ett stort steg framåt, det finns fortfarande många problem att lösa på vägen mot spinnbaserad kvantinformationsteknologi i grafen, " säger Banszerus. Nästa, han hoppas kunna ta itu med problemet med att kontrollera kopplingen mellan kvantprickarna och reservoaren, vilket han hoppas uppnå genom att lägga till ett extra lager av interdigiterade fingergrindar ovanpå.

© 2020 Science X Network