Een raster van kwantumeilanden zou geheimen voor krachtige technologieën kunnen onthullen

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben rasters gemaakt van kleine klontjes atomen die bekend staan ​​als kwantumstippen en bestudeerden wat er gebeurt als elektronen in deze archipels van atomaire eilanden duiken. Het meten van het gedrag van elektronen in deze relatief eenvoudige opstellingen belooft diepgaande inzichten in hoe elektronen zich gedragen in complexe real-world materialen en kan onderzoekers helpen bij het ontwikkelen van apparaten die krachtige kwantumcomputers en andere innovatieve technologieën mogelijk maken.

In werk gepubliceerd in natuurcommunicatie, de onderzoekers maakten meerdere rasters van 3 bij 3 van precies uit elkaar geplaatste kwantumdots, elk bestaande uit één tot drie fosforatomen. Aan de roosters waren elektrische leidingen en andere componenten bevestigd waardoor elektronen er doorheen konden stromen. De rasters boden speelvelden waarin elektronen zich konden gedragen in bijna ideale, leerboekachtige omstandigheden, vrij van de verwarrende effecten van echte materialen.

De onderzoekers injecteerden elektronen in de roosters en observeerden hoe ze zich gedroegen terwijl de onderzoekers de omstandigheden, zoals de afstand tussen de stippen, varieerden. Voor rasters waarin de stippen dicht bij elkaar lagen, hadden de elektronen de neiging zich uit te spreiden en zich te gedragen als golven, die in wezen op verschillende plaatsen tegelijk bestonden. Als de stippen ver uit elkaar stonden, raakten ze soms gevangen in individuele stippen, zoals elektronen in materialen met isolerende eigenschappen.

Geavanceerde versies van het raster zouden onderzoekers in staat stellen het gedrag van elektronen in bestuurbare omgevingen te bestuderen met een detailniveau dat onmogelijk zou zijn voor ’s werelds krachtigste conventionele computers om nauwkeurig te simuleren. Het zou de deur openen naar volwaardige “analoge kwantumsimulatoren” die de geheimen van exotische materialen zoals supergeleiders op hoge temperatuur ontrafelen. Het kan ook hints geven over het maken van materialen, zoals topologische isolatoren, door de geometrie van de kwantumdot-array te regelen.

In gerelateerd werk dat zojuist is gepubliceerd in ACS Nano, dezelfde NIST-onderzoekers hebben hun fabricagemethode verbeterd, zodat ze nu op betrouwbare wijze een reeks identieke, gelijkmatig verdeelde punten met elk precies één atoom kunnen creëren, wat leidt tot nog meer ideale omgevingen die nodig zijn voor een volledig nauwkeurige kwantumsimulator. De onderzoekers hebben hun zinnen gezet op het maken van zo’n simulator met een groter raster van kwantumdots: een 5×5 reeks stippen kan rijk elektronengedrag produceren dat zelfs in de meest geavanceerde supercomputers onmogelijk te simuleren is.