La pointe chargée d'un microscope à effet tunnel et un champ magnétique supplémentaire conduisent à des états électroniques stables localisés dans le graphène. Crédit :Nils Freitag, RWTH Aix-la-Chapelle
Dans une minuscule prison quantique, les électrons se comportent assez différemment de leurs homologues dans l'espace libre. Ils ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie discrets, un peu comme les électrons d'un atome - pour cette raison, de telles prisons d'électrons sont souvent appelées "atomes artificiels". Les atomes artificiels peuvent également présenter des propriétés au-delà de celles conventionnelles, avec le potentiel de nombreuses applications, par exemple en informatique quantique. De telles propriétés supplémentaires ont maintenant été démontrées pour des atomes artificiels dans le graphène, un matériau carboné. Les résultats ont été publiés dans la revue Lettres nano , le projet était une collaboration de scientifiques de TU Wien (Vienne, L'Autriche), RWTH Aachen (Allemagne) et l'Université de Manchester (GB).
Construire des atomes artificiels
"Les atomes artificiels ouvrent de nouveaux, possibilités passionnantes, parce que nous pouvons régler directement leurs propriétés", déclare le professeur Joachim Burgdörfer (TU Wien, Vienne). Dans les matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium, piéger des électrons dans de minuscules confinements s'est déjà avéré possible. Ces structures sont souvent appelées "points quantiques". Comme dans un atome, où les électrons ne peuvent faire le tour du noyau que sur certaines orbites, les électrons de ces points quantiques sont forcés dans des états quantiques discrets.
Des possibilités encore plus intéressantes sont ouvertes en utilisant le graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, qui a beaucoup attiré l'attention ces dernières années. « Dans la plupart des matériaux, les électrons peuvent occuper deux états quantiques différents à une énergie donnée. La symétrie élevée du réseau de graphène permet quatre états quantiques différents. Cela ouvre de nouvelles voies pour le traitement et le stockage de l'information quantique », explique Florian Libisch de la TU Wien. Cependant, créer des atomes artificiels bien contrôlés dans le graphène s'est avéré extrêmement difficile.
Florian Libisch, expliquer la structure du graphène. Crédit :TU Vienne
La pointe ne suffit pas
Il existe différentes manières de créer des atomes artificiels :la plus simple consiste à mettre des électrons dans de minuscules flocons, découpé dans une fine couche du matériau. Bien que cela fonctionne pour le graphène, la symétrie de la matière est rompue par les bords de l'éclat qui ne peuvent jamais être parfaitement lisses. Par conséquent, la multiplicité spéciale quadruple d'états du graphène est réduite au double conventionnel.
Par conséquent, différentes voies ont dû être trouvées :Il n'est pas nécessaire d'utiliser de petits flocons de graphène pour capturer les électrons. L'utilisation de combinaisons intelligentes de champs électriques et magnétiques est une bien meilleure option. Avec la pointe d'un microscope à effet tunnel, un champ électrique peut être appliqué localement. De cette façon, une petite région est créée à l'intérieur de la surface du graphène, dans lequel les électrons de faible énergie peuvent être piégés. À la fois, les électrons sont forcés dans de minuscules orbites circulaires en appliquant un champ magnétique. "Si nous n'utilisions qu'un champ électrique, les effets quantiques permettent aux électrons de sortir rapidement du piège" explique Libisch.
Les atomes artificiels ont été mesurés au RWTH Aachen par Nils Freitag et Peter Nemes-Incze dans le groupe du professeur Markus Morgenstern. Des simulations et des modèles théoriques ont été développés à la TU Wien (Vienne) par Larisa Chizhova, Florian Libisch et Joachim Burgdörfer. L'échantillon de graphène exceptionnellement propre provient de l'équipe autour d'Andre Geim et Kostya Novoselov de Manchester (GB) - ces deux chercheurs ont reçu le prix Nobel en 2010 pour avoir créé des feuilles de graphène pour la première fois.
Les nouveaux atomes artificiels ouvrent désormais de nouvelles possibilités pour de nombreuses expériences technologiques quantiques :« Quatre états électroniques localisés avec la même énergie permettent de basculer entre différents états quantiques pour stocker des informations », dit Joachim Burgdörfer. Les électrons peuvent conserver longtemps des superpositions arbitraires, propriétés idéales pour les ordinateurs quantiques. En outre, la nouvelle méthode a le gros avantage de l'évolutivité :il devrait être possible d'adapter de nombreux atomes artificiels de ce type sur une petite puce afin de les utiliser pour des applications d'information quantique.
