Att fånga och kontrollera elektroner i tvålagers grafenkvantprickar ger en lovande plattform för kvantinformationsteknik. Forskare vid UC Santa Cruz har nu uppnått den första direkta visualiseringen av kvantprickar i tvåskiktsgrafen, avslöjar formen på kvantvågfunktionen för de fångade elektronerna.

Resultaten, publicerad 23 november i Nanobokstäver , tillhandahålla viktig grundläggande kunskap som behövs för att utveckla kvantinformationsteknologier baserade på tvålagers grafenkvantprickar.

"Det har varit mycket arbete för att utveckla detta system för kvantinformationsvetenskap, men vi har saknat en förståelse för hur elektronerna ser ut i dessa kvantprickar, " sa motsvarande författare Jairo Velasco Jr., biträdande professor i fysik vid UC Santa Cruz.

Medan konventionell digital teknik kodar information i bitar representerade som antingen 0 eller 1, en kvantbit, eller qubit, kan representera båda tillstånden samtidigt på grund av kvantöverlagring. I teorin, teknologier baserade på qubits kommer att möjliggöra en massiv ökning av beräkningshastighet och kapacitet för vissa typer av beräkningar.

En mängd olika system, baserat på material från diamant till galliumarsenid, utforskas som plattformar för att skapa och manipulera qubits. Dubbelskiktsgrafen (två lager grafen, som är ett tvådimensionellt arrangemang av kolatomer i ett bikakegitter) är ett attraktivt material eftersom det är lätt att producera och arbeta med, och kvantprickar i tvåskiktsgrafen har önskvärda egenskaper.

"Dessa kvantprickar är en framväxande och lovande plattform för kvantinformationsteknologi på grund av deras undertryckta spindekoherens, kontrollerbara kvantgrader av frihet, och inställbarhet med externa styrspänningar, sa Velasco.

Att förstå karaktären av kvantpunktvågsfunktionen i tvåskiktsgrafen är viktigt eftersom denna grundläggande egenskap bestämmer flera relevanta funktioner för kvantinformationsbehandling, såsom elektronenergispektrum, växelverkan mellan elektroner, och kopplingen av elektroner till sin omgivning.

Velascos team använde en metod som han hade utvecklat tidigare för att skapa kvantprickar i monolagergrafen med hjälp av ett scanning tunneling microscope (STM). Med grafenen vilande på en isolerande hexagonal bornitridkristall, en stor spänning som appliceras med STM-spetsen skapar laddningar i bornitriden som tjänar till att elektrostatiskt begränsa elektroner i tvåskiktsgrafenet.

"Det elektriska fältet skapar en korral, som ett osynligt elstängsel, som fångar elektronerna i kvantpunkten, " förklarade Velasco.

Forskarna använde sedan skanningstunnelmikroskopet för att avbilda de elektroniska tillstånden inuti och utanför korralen. I motsats till teoretiska förutsägelser, de resulterande bilderna visade en bruten rotationssymmetri, med tre toppar istället för de förväntade koncentriska ringarna.

"Vi ser cirkulärt symmetriska ringar i monolager grafen, men i tvåskiktsgrafen har kvantpunktstillstånden en trefaldig symmetri, "Velasco sa. "Topparna representerar platser med hög amplitud i vågfunktionen. Elektroner har en dubbelvågspartikelnatur, och vi visualiserar vågegenskaperna hos elektronen i kvantpunkten."

Detta arbete ger viktig information, såsom elektronernas energispektrum, behövs för att utveckla kvantenheter baserade på detta system. "Det främjar den grundläggande förståelsen av systemet och dess potential för kvantinformationsteknik, " sa Velasco. "Det är en saknad pusselbit, och tillsammans med andras arbete, Jag tror att vi går mot att göra detta till ett användbart system."