Cette image montre des états électroniques quantifiés, pour les nombres quantiques n =1 à 6, d'une boîte quantique linéaire constituée de 22 atomes d'indium positionnés à la surface d'un cristal d'InAs. Crédit :Stefan Fölsch/PDI
Une équipe de physiciens du Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) de Berlin, Allemagne, Laboratoires de recherche fondamentale NTT à Atsugi, Japon, et le laboratoire de recherche naval des États-Unis (NRL) a utilisé un microscope à effet tunnel pour créer des points quantiques identiques, tailles déterministes. La parfaite reproductibilité de ces points ouvre la porte à des architectures de points quantiques totalement exemptes de variations incontrôlées, un objectif important pour les technologies allant de la nanophotonique au traitement de l'information quantique ainsi que pour les études fondamentales. Les résultats complets sont publiés dans le numéro de juillet 2014 de la revue Nature Nanotechnologie .
Les points quantiques sont souvent considérés comme des atomes artificiels car, comme de vrais atomes, ils confinent leurs électrons à des états quantifiés avec des énergies discrètes. Mais l'analogie s'effondre rapidement, car alors que les atomes réels sont identiques, les points quantiques comprennent généralement des centaines ou des milliers d'atomes - avec des variations inévitables de leur taille et de leur forme et, par conséquent, dans leurs propriétés et leur comportement. Des portes électrostatiques externes peuvent être utilisées pour réduire ces variations. Mais l'objectif plus ambitieux de créer des points quantiques avec une fidélité intrinsèquement parfaite en éliminant complètement les variations statistiques de leur taille, forme, et l'arrangement est longtemps resté insaisissable.
La création de points quantiques atomiquement précis nécessite que chaque atome soit placé dans un emplacement spécifié avec précision sans erreur. L'équipe a assemblé les points atome par atome, à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), et s'est appuyé sur un modèle de surface atomiquement précis pour définir un réseau de positions d'atomes autorisées. Le gabarit était la surface d'un cristal d'InAs, qui a un motif régulier de lacunes d'indium et une faible concentration d'adatomes d'indium natifs adsorbés au-dessus des sites de lacunes. Les adatomes sont ionisés +1 donneurs et peuvent être déplacés avec la pointe STM par manipulation atomique verticale. L'équipe a assemblé des points quantiques constitués de chaînes linéaires de N =6 à 25 atomes d'indium; l'exemple montré ici est une chaîne de 22 atomes.
Stefan Fölsch, un physicien au PDI qui dirigeait l'équipe, a expliqué que "les adatomes d'indium ionisés forment un point quantique en créant un puits électrostatique qui confine les électrons normalement associés à un état de surface du cristal d'InAs. Les états quantifiés peuvent ensuite être sondés et cartographiés en balayant les mesures de spectroscopie à effet tunnel de la conductance différentielle. " Ces spectres montrent une série de résonances étiquetées par le nombre quantique principal n. Les cartes spatiales révèlent les fonctions d'onde de ces états quantifiés, qui ont n lobes et n - 1 nœuds le long de la chaîne, exactement comme prévu pour un électron de mécanique quantique dans une boîte. Pour l'exemple de la chaîne à 22 atomes, les états jusqu'à n =6 sont affichés.
Cette image montre une "molécule" de points quantiques constituée de trois chaînes d'indium à 6 atomes. Dans le panneau supérieur, la molécule a une parfaite symétrie triple et donc un état doublement dégénéré. Dans les trois panneaux inférieurs, la symétrie est progressivement rompue pour explorer comment la dégénérescence disparaît. Crédit :Stefan Fölsch/PDI
Parce que les atomes d'indium sont strictement confinés au réseau régulier de sites vacants, chaque point quantique avec N atomes est essentiellement identique, sans variation intrinsèque de taille, forme, ou poste. Cela signifie que les "molécules" de points quantiques constituées de plusieurs chaînes couplées refléteront la même invariance. Steve Erwin, un physicien au LNR et le théoricien de l'équipe, a souligné que « cela simplifie grandement la tâche de créer, protéger, et contrôler les états dégénérés dans les molécules de points quantiques, ce qui est une condition préalable importante pour de nombreuses technologies. » En informatique quantique, par exemple, les qubits avec des états fondamentaux doublement dégénérés offrent une protection contre la décohérence environnementale. En combinant l'invariance des molécules de points quantiques avec la symétrie intrinsèque du réseau de lacunes d'InAs, l'équipe a créé des états dégénérés qui sont étonnamment résistants aux perturbations environnementales par des défauts. Dans l'exemple montré ici, une molécule avec une symétrie de rotation triple parfaite a d'abord été créée et son état dégénéré double a été démontré expérimentalement. En cassant intentionnellement la symétrie, l'équipe a constaté que la dégénérescence était progressivement supprimée, terminer la démonstration.
La reproductibilité et la haute fidélité offertes par ces points quantiques en font d'excellents candidats pour l'étude de la physique fondamentale qui est généralement obscurcie par des variations stochastiques de taille, forme, ou la position des chaînes. Avoir hâte de, l'équipe prévoit également que l'élimination des variations incontrôlées dans les architectures de points quantiques offrira de nombreux avantages à un large éventail de futures technologies de points quantiques dans lesquelles la fidélité est importante.
