Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont pour la première fois créé et imagé une nouvelle paire de points quantiques, de minuscules îlots de charge électrique confinée qui agissent comme des atomes artificiels en interaction. De tels points quantiques "couplés" pourraient servir de bit quantique robuste, ou qubit, l'unité d'information fondamentale pour un ordinateur quantique. De plus, les modèles de charge électrique dans l'île ne peuvent pas être entièrement expliqués par les modèles actuels de la physique quantique, offrant une opportunité d'étudier de nouveaux phénomènes physiques riches dans les matériaux.

Contrairement à un ordinateur classique, qui repose sur des bits binaires qui n'ont qu'une des deux valeurs fixes - "1" ou "0" - pour stocker la mémoire, un ordinateur quantique stockerait et traiterait des informations en qubits, qui peut prendre simultanément une multitude de valeurs. Par conséquent, ils pourraient faire beaucoup plus gros, opérations plus complexes que les bits classiques et ont le potentiel de révolutionner l'informatique.

Les électrons gravitent autour du centre d'une seule boîte quantique de la même manière qu'ils gravitent autour des atomes. Les particules chargées ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie autorisés spécifiques. A chaque niveau d'énergie, un électron peut occuper une gamme de positions possibles dans le point, traçant une orbite dont la forme est déterminée par les règles de la théorie quantique. Une paire de points quantiques couplés peut partager un électron entre eux, formant un qubit.

Pour fabriquer les points quantiques, l'équipe dirigée par le NIST, qui comprenait des chercheurs du NanoCenter de l'Université du Maryland et de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon, utilisé la pointe ultra-pointue d'un microscope à effet tunnel (STM) comme s'il s'agissait d'un stylet d'un Etch A Sketch. En planant la pointe au-dessus d'une feuille de graphène ultrafroide (une seule couche d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille), les chercheurs ont brièvement augmenté la tension de la pointe.

Le champ électrique généré par l'impulsion de tension a pénétré à travers le graphène dans une couche sous-jacente de nitrure de bore, où il a retiré les électrons des impuretés atomiques de la couche et créé un empilement de charges électriques. L'empilement a rassemblé des électrons flottant librement dans le graphène, les confiner à un minuscule puits d'énergie.

Mais lorsque l'équipe a appliqué un champ magnétique de 4 à 8 tesla (environ 400 à 800 fois la force d'un petit barreau magnétique), il a considérablement modifié la forme et la distribution des orbites que les électrons pouvaient occuper. Plutôt qu'un seul puits, les électrons résidaient maintenant dans deux ensembles de concentriques, anneaux rapprochés dans le puits d'origine séparés par une petite coquille vide. Les deux ensembles d'anneaux pour les électrons se comportaient maintenant comme s'ils étaient des points quantiques faiblement couplés.

C'est la première fois que des chercheurs sondent aussi profondément l'intérieur d'un système de points quantiques couplés, imager la distribution des électrons avec une résolution atomique (voir illustration), a noté le co-auteur du NIST, Daniel Walkup. Pour prendre des images et des spectres haute résolution du système, l'équipe a profité d'une relation particulière entre la taille d'une boîte quantique et l'espacement des niveaux d'énergie occupés par les électrons en orbite :plus la boîte est petite, plus l'espacement est grand, et plus il est facile de distinguer les niveaux d'énergie adjacents.

Dans une précédente étude de points quantiques utilisant du graphène, l'équipe a appliqué un champ magnétique plus petit et a trouvé une structure d'anneaux, ressemblant à un gâteau de mariage, centré sur une seule boîte quantique, qui est à l'origine des anneaux de points quantiques concentriques. En utilisant la pointe STM pour construire des points d'environ la moitié du diamètre (100 nanomètres) des points qu'ils avaient précédemment étudiés, les chercheurs ont réussi à révéler la structure complète du système couplé.

L'équipe, qui comprenait Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez et Joseph Stroscio au NIST et au Maryland NanoCenter, décrit ses conclusions aujourd'hui dans Examen physique B .

La façon dont les électrons sont partagés entre les deux points couplés ne peut pas être expliquée par les modèles acceptés de la physique des points quantiques, dit Walkup. Ce casse-tête peut être important à résoudre si les points quantiques couplés doivent éventuellement être utilisés comme qubits en informatique quantique, nota Stroscio.