Die direkte Visualisierung von Quantenpunkten zeigt die Form der Quantenwellenfunktion der gefangenen Elektronen.

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Die Forscher benutzten ein Rastertunnelmikroskop, um Quantenpunkte in zweischichtigem Graphen sichtbar zu machen, ein wichtiger Schritt in Richtung Quanteninformationstechnologien.

Das Einfangen und Steuern von Elektronen in Quantenpunkten aus zweischichtigem Graphen ergibt eine vielversprechende Plattform für Quanteninformationstechnologien. Forschern an der UC Santa Cruz ist es nun erstmals gelungen, Quantenpunkte in zweischichtigem Graphen direkt zu visualisieren und die Form der Quantenwellenfunktion der gefangenen Elektronen sichtbar zu machen.

Die Ergebnisse, die am 23. November 2020 in Nano Letters veröffentlicht wurden, liefern wichtige grundlegende Erkenntnisse, die für die Entwicklung von Quanteninformationstechnologien auf der Grundlage von Quantenpunkten aus zweischichtigem Graphen erforderlich sind.

“Es gab viel Arbeit, um dieses System für die Quanteninformationswissenschaft zu entwickeln, aber es fehlte uns bisher ein Verständnis dafür, wie die Elektronen in diesen Quantenpunkten aussehen”, sagte der korrespondierende Autor Jairo Velasco Jr., Assistenzprofessor für Physik an der UC Santa Cruz.

Während herkömmliche digitale Technologien Informationen in Bits kodieren, die entweder als 0 oder 1 dargestellt werden, kann ein Quantenbit, oder Qubit, aufgrund der Quantenüberlagerung beide Zustände gleichzeitig darstellen. Theoretisch werden Technologien, die auf Qubits basieren, eine massive Erhöhung der Rechengeschwindigkeit und -kapazität für bestimmte Arten von Berechnungen ermöglichen.

Eine Vielzahl von Systemen, die auf Materialien von Diamant bis Galliumarsenid basieren, werden als Plattformen für die Erzeugung und Manipulation von Qubits erforscht. Bilayer-Graphen (zwei Schichten Graphen, das ist eine zweidimensionale Anordnung von Kohlenstoffatomen in einem Wabengitter) ist ein attraktives Material, weil es leicht herzustellen und zu bearbeiten ist und Quantenpunkte in Bilayer-Graphen erwünschte Eigenschaften haben.

“Diese Quantenpunkte sind aufgrund ihrer unterdrückten Spin-Dekohärenz, ihrer kontrollierbaren Quantenfreiheitsgrade und ihrer Abstimmbarkeit mit externen Steuerspannungen eine aufstrebende und vielversprechende Plattform für die Quanteninformationstechnologie”, sagte Velasco.

Es ist wichtig, die Natur der Quantenpunkt-Wellenfunktion in Doppelschichtgraphen zu verstehen, da diese grundlegende Eigenschaft mehrere für die Quanteninformationsverarbeitung relevante Merkmale bestimmt, wie z.B. das Elektronenenergiespektrum, die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und die Kopplung von Elektronen an ihre Umgebung.

Velascos Team verwendete eine zuvor von ihm entwickelte Methode zur Erzeugung von Quantenpunkten in Monolayer-Graphen unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops (STM). Wenn das Graphen auf einem isolierenden hexagonalen Bornitridkristall ruht, erzeugt eine große Spannung, die mit der STM-Spitze angelegt wird, Ladungen im Bornitrid, die dazu dienen, Elektronen elektrostatisch in dem zweischichtigen Graphen einzuschließen.

“Das elektrische Feld erzeugt einen Korral, wie einen unsichtbaren elektrischen Zaun, der die Elektronen im Quantenpunkt einfängt”, erklärte Velasco.

Die Forscher verwendeten dann das Rastertunnelmikroskop, um die elektronischen Zustände innerhalb und außerhalb des Korridors abzubilden. Im Gegensatz zu den theoretischen Vorhersagen zeigten die resultierenden Bilder eine gebrochene Rotationssymmetrie, mit drei Spitzen anstelle der erwarteten konzentrischen Ringe.

“Wir sehen kreissymmetrische Ringe in Monolayer-Graphen, aber in Bilayer-Graphen haben die Quantenpunktzustände eine dreifache Symmetrie”, sagte Velasco. “Die Peaks stellen Stellen mit hoher Amplitude in der Wellenfunktion dar. Elektronen haben eine doppelte Welle-Teilchen-Natur, und wir visualisieren die Welleneigenschaften des Elektrons im Quantenpunkt.

Diese Arbeit liefert entscheidende Informationen, wie das Energiespektrum der Elektronen, die für die Entwicklung von Quantenvorrichtungen auf der Grundlage dieses Systems benötigt werden. “Sie fördert das grundlegende Verständnis des Systems und sein Potenzial für Quanteninformationstechnologien”, sagte Velasco. “Es ist ein fehlendes Stück des Puzzles, und zusammen mit der Arbeit anderer, denke ich, dass wir auf dem Weg sind, dieses System zu einem nützlichen System zu machen.

Referenz: “Visualization and Manipulation of Bilayer Graphene Quantum Dots with Broken Rotational Symmetry and Nontrivial Topology” von Zhehao Ge, Frederic Joucken, Eberth Quezada, Diego R. da Costa, John Davenport, Brian Giraldo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Nobuhiko P. Kobayashi, Tony Low und Jairo Velasco Jr., 23. November 2020, Nano Letters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03453

Neben Velasco gehören zu den Autoren des Papiers die Co-Erstautoren Zhehao Ge, Frederic Joucken und Eberth Quezada-Lopez von der UC Santa Cruz sowie Koautoren von der Federal University of Ceara, Brasilien, dem National Institute for Materials Science in Japan, der University of Minnesota und der Baskin School of Engineering der UCSC. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation und dem Army Research Office finanziert.

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