Directe visualisatie van kwantumstippen onthult de vorm van de kwantumgolffunctie

Het vangen en beheersen van elektronen in kwantumdots van dubbellaags grafeen levert een veelbelovend platform op voor kwantuminformatietechnologieën. Onderzoekers van UC Santa Cruz hebben nu de eerste directe visualisatie van kwantumstippen in dubbellaaggrafeen bereikt, waardoor de vorm van de kwantumgolffunctie van de gevangen elektronen wordt onthuld.

De resultaten, gepubliceerd op 23 november in Nano Letters, bieden belangrijke fundamentele kennis die nodig is om kwantuminformatietechnologieën te ontwikkelen op basis van dubbellaagse grafeen-kwantumstippen.

“Er is veel werk verzet om dit systeem voor kwantuminformatiewetenschap te ontwikkelen, maar we hebben het begrip gemist van hoe de elektronen eruit zien in deze kwantumstippen”, zei de corresponderende auteur Jairo Velasco Jr., assistent-professor natuurkunde bij UC Santa Cruz.

Terwijl conventionele digitale technologieën informatie coderen in bits die worden weergegeven als 0 of 1, kan een kwantumbit of qubit beide toestanden tegelijkertijd vertegenwoordigen vanwege kwantumsuperpositie. In theorie zullen technologieën op basis van qubits een enorme toename van de rekensnelheid en capaciteit voor bepaalde soorten berekeningen mogelijk maken.

Een verscheidenheid aan systemen, gebaseerd op materialen variërend van diamant tot galliumarsenide, worden onderzocht als platforms voor het maken en manipuleren van qubits. Dubbellaags grafeen (twee lagen grafeen, een tweedimensionale opstelling van koolstofatomen in een honingraatrooster) is een aantrekkelijk materiaal omdat het gemakkelijk te produceren en ermee te werken is, en kwantumstippen in dubbellaags grafeen hebben gewenste eigenschappen.

“Deze kwantumdots zijn een opkomend en veelbelovend platform voor kwantuminformatietechnologie vanwege hun onderdrukte spin-decoherentie, controleerbare kwantumvrijheidsgraden en afstembaarheid met externe stuurspanningen,” zei Velasco.

Het begrijpen van de aard van de kwantumdot-golffunctie in dubbellaags grafeen is belangrijk omdat deze basiseigenschap verschillende relevante kenmerken bepaalt voor kwantuminformatieverwerking, zoals het elektronen-energiespectrum, de interacties tussen elektronen en de koppeling van elektronen aan hun omgeving.

Velasco’s team gebruikte een methode die hij eerder had ontwikkeld om kwantumdots te maken in monolaag grafeen met behulp van een scanning tunneling microscope (STM). Terwijl het grafeen rust op een isolerend hexagonaal boornitridekristal, creëert een hoge spanning die wordt aangelegd met de STM-punt ladingen in het boornitride die dienen om elektronen elektrostatisch op te sluiten in het dubbellaagse grafeen.

“Het elektrische veld creëert een kraal, zoals een onzichtbare elektrische afrastering, die de elektronen in de kwantumdot opsluit”, legt Velasco uit.

De onderzoekers gebruikten vervolgens de scanning tunneling microscoop om de elektronische toestanden binnen en buiten de kraal in beeld te brengen. In tegenstelling tot theoretische voorspellingen, vertoonden de resulterende afbeeldingen een verbroken rotatiesymmetrie, met drie pieken in plaats van de verwachte concentrische ringen.

“We zien circulair symmetrische ringen in monolaag grafeen, maar in dubbellaag grafeen hebben de quantum dot-toestanden een drievoudige symmetrie,” zei Velasco. “De pieken vertegenwoordigen plaatsen met een hoge amplitude in de golffunctie. Elektronen hebben een aard van dubbele golfdeeltjes en we visualiseren de golfeigenschappen van het elektron in de kwantumdot.”

Dit werk levert cruciale informatie op, zoals het energiespectrum van de elektronen, die nodig is om kwantumapparaten te ontwikkelen op basis van dit systeem. “Het bevordert het fundamentele begrip van het systeem en zijn potentieel voor kwantuminformatietechnologieën”, aldus Velasco. “Het is een ontbrekend stukje van de puzzel, en samen met het werk van anderen denk ik dat we bezig zijn om er een nuttig systeem van te maken.”