Nouveaux types de bits quantiques :des nanostructures extrêmement petites permettent un contrôle délicat des électrons individuels en ajustant leurs niveaux d'énergie. Crédit :TU Vienne
Deux nouveaux matériaux, chacun composé d'une seule couche atomique et de la pointe d'un microscope à effet tunnel, sont les ingrédients d'un nouveau type de point quantique. Ces nanostructures extrêmement petites permettent un contrôle délicat des électrons individuels en ajustant directement leurs niveaux d'énergie. De tels dispositifs sont essentiels pour les technologies quantiques modernes.
Les simulations théoriques de la nouvelle technologie ont été réalisées dans l'équipe du Prof. Florian Libisch et du Prof. Joachim Burgdörfer à la TU Wien. L'expérience a impliqué le groupe du professeur Markus Morgenstern à RWTH Aachen et l'équipe autour des lauréats du prix Nobel Andre Geim et Kostya Novoselov de Manchester, qui a préparé les échantillons. Les résultats sont maintenant publiés dans Nature Nanotechnologie .
"Pour de nombreuses applications dans le domaine des technologies quantiques, nous avons besoin d'un système quantique dans lequel les électrons occupent deux états, Allumé ou éteint, à la différence que la physique quantique permet également des superpositions arbitraires des états marche et arrêt, " explique Florian Libisch de l'Institut de physique théorique de la TU Wien.
Une propriété clé de tels systèmes est la différence d'énergie entre les deux états quantiques :« La manipulation efficace des informations stockées dans l'état quantique des électrons nécessite un contrôle parfait des paramètres du système. Un système idéal permet de régler en continu la différence d'énergie de zéro à une grande valeur, " dit Libisch.
Pour les systèmes trouvés dans la nature, par exemple, atomes - c'est généralement difficile à réaliser. Les énergies des états atomiques, et donc leurs différences, est fixé. Le réglage des énergies devient possible dans les nanostructures synthétiques conçues pour confiner les électrons. De telles structures sont souvent appelées points quantiques, ou « atomes artificiels ».
Nouveaux types de bits quantiques :de minuscules nanostructures permettent un contrôle délicat des électrons individuels. Crédit :Université de technologie de Vienne
L'équipe de recherche internationale de la TU Wien, RWTH Aachen et l'Université de Manchester ont réussi à développer un nouveau type de points quantiques qui permettent des niveaux d'énergie des électrons confinés beaucoup plus précisément et largement réglables qu'auparavant. Cela a été rendu possible en combinant deux matériaux très particuliers :le graphène, une seule couche atomique conductrice d'atomes de carbone, et le nitrure de bore hexagonal, aussi une seule couche de matériau assez similaire au graphène sauf qu'il est isolant.
Exactement comme le graphène, le nitrure de bore forme également un réseau en nid d'abeille. "Les nids d'abeilles dans le graphène et le nitrure de bore hexagonal sont, cependant, pas exactement de la même taille, " explique Florian Libisch. " Si vous mettez soigneusement une seule couche de graphène sur du nitrure de bore hexagonal, les couches ne peuvent pas parfaitement correspondre. Ce léger décalage crée une superstructure sur des distances de plusieurs nanomètres, ce qui se traduit par une oscillation spatiale ondulatoire extrêmement régulière de la couche de graphène hors du plan parfait. »
Comme le montrent les nombreuses simulations de la TU Wien, ces oscillations exactes du graphène sur le nitrure de bore hexagonal forment l'échafaudage idéal pour contrôler les énergies des électrons. Le paysage potentiel créé par la superstructure régulière permet de placer avec précision la boîte quantique, ou même le déplacer en continu et ainsi changer en douceur ses propriétés. Selon la position exacte de la pointe du microscope à effet tunnel, les niveaux d'énergie des états électroniques à l'intérieur de la boîte quantique changent. "Un décalage de quelques nanomètres permet de changer la différence d'énergie de deux niveaux d'énergie voisins de moins cinq à plus dix milliélectronvolts avec une grande précision - une plage de réglage environ 50 fois plus grande qu'auparavant, " explique Florian Libisch.
Comme prochaine étape, la pointe du microscope à effet tunnel pourrait être remplacée par une série de portes nanoélectroniques. Cela permettrait d'exploiter les états de points quantiques du graphène sur du nitrure de bore hexagonal pour des technologies quantiques évolutives telles que la "valleytronique".
"Ce nouveau domaine émergent devient rapidement un centre d'attention, " dit Florian Libisch. " Il existe de multiples applications technologiques potentielles de ces matériaux atomiquement minces.
