Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y sus colegas han creado e imaginado por primera vez un nuevo par de puntos cuánticos: pequeñas islas de carga eléctrica confinada que actúan como átomos artificiales que interactúan.los puntos cuánticos podrían servir como un bit cuántico robusto, o qubit, la unidad fundamental de información para una computadora cuántica Además, los modelos de carga eléctrica en la isla no pueden explicarse completamente por los modelos actuales de física cuántica, ofreciendo una oportunidad parainvestigar nuevos fenómenos físicos ricos en materiales.
A diferencia de una computadora clásica, que se basa en bits binarios que tienen solo uno de dos valores fijos - "1" o "0" - para almacenar memoria, una computadora cuántica almacenaría y procesaría información en qubits, que puede tomar simultáneamenteen una multitud de valores. Por lo tanto, podrían realizar operaciones mucho más grandes y complejas que los bits clásicos y tienen el potencial de revolucionar la informática.
Los electrones orbitan el centro de un único punto cuántico similar a la forma en que orbitan los átomos. Las partículas cargadas solo pueden ocupar niveles de energía permitidos específicos. En cada nivel de energía, un electrón puede ocupar un rango de posibles posiciones en el punto, trazandouna órbita cuya forma está determinada por las reglas de la teoría cuántica. Un par de puntos cuánticos acoplados pueden compartir un electrón entre ellos, formando un qubit.
Para fabricar los puntos cuánticos, el equipo liderado por el NIST, que incluía investigadores del NanoCenter de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón, utilizó la punta ultra afilada de un microscopio de túnel de exploración STM como si fuera unstylus de un Etch A Sketch. Al pasar la punta por encima de una lámina ultrafría de grafeno una sola capa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal, los investigadores aumentaron brevemente el voltaje de la punta.
El campo eléctrico generado por el pulso de voltaje penetró a través del grafeno en una capa subyacente de nitruro de boro, donde eliminó los electrones de las impurezas atómicas en la capa y creó una acumulación de carga eléctrica. La acumulación acorralaba electrones flotando libremente en el grafeno,confinándolos a un pequeño pozo de energía.
Pero cuando el equipo aplicó un campo magnético de 4 a 8 teslas aproximadamente 400 a 800 veces la fuerza de un pequeño imán de barra, alteró dramáticamente la forma y distribución de las órbitas que los electrones podrían ocupar. En lugar de una solabueno, los electrones ahora residían dentro de dos conjuntos de anillos concéntricos, estrechamente espaciados dentro del pozo original, separados por una pequeña capa vacía. Los dos conjuntos de anillos para los electrones ahora se comportaban como si fueran puntos cuánticos débilmente acoplados.
Esta es la primera vez que los investigadores han explorado el interior de un sistema de puntos cuánticos acoplados tan profundamente, creando imágenes de la distribución de electrones con resolución atómica ver ilustración, señaló el coautor del NIST Daniel Walkup. Para tomar imágenes de alta resolución yespectros del sistema, el equipo aprovechó una relación especial entre el tamaño de un punto cuántico y la separación de los niveles de energía ocupados por los electrones en órbita: cuanto más pequeño es el punto, mayor es la separación y más fácil es distinguirentre niveles de energía adyacentes
En un estudio anterior de puntos cuánticos con grafeno, el equipo aplicó un campo magnético más pequeño y encontró una estructura de anillos, similar a un pastel de bodas, centrado en un único punto cuántico, que es el origen de los anillos concéntricos de puntos cuánticos.Con la punta STM para construir puntos de aproximadamente la mitad del diámetro 100 nanómetros de puntos que habían estudiado previamente, los investigadores lograron revelar la estructura completa del sistema acoplado.
El equipo, que incluía a Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez y Joseph Stroscio en NIST y el Maryland NanoCenter, describe sus hallazgos hoy en Revisión física B .
La forma en que los electrones se comparten entre los dos puntos acoplados no puede explicarse por modelos aceptados de física de puntos cuánticos, dijo Walkup. Este rompecabezas puede ser importante para resolver si los puntos cuánticos acoplados eventualmente se utilizarán como qubits encomputación cuántica, señaló Stroscio.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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