Image au microscope à force atomique, montrant la disposition de la porte de l'appareil. Les contacts de source (S) et de drain (D) sont connectés au BLG par des vias gravés dans le hBN. La pile de grilles contient des grilles divisées (SG) avec une séparation de 50 nm et au-dessus, séparés par Al2O3, six grilles de doigt parallèles avec une séparation de grille de 50 nm et une largeur de 100 nm. Les portes GL et GR (codées par couleur) sont utilisées pour contrôler les QD discutés dans ce travail. Crédit : lettres nano
La première démonstration de points quantiques doubles de graphène dans lesquels il est possible de contrôler le nombre d'électrons jusqu'à zéro a été rapportée dans Lettres nano . Loin d'un coup académique abstrait, les résultats pourraient s'avérer essentiels pour les futures implémentations de l'informatique quantique basée sur le graphène. "Avoir des informations exactes et un contrôle sur le nombre d'électrons dans les points est essentiel pour la technologie de l'information quantique basée sur le spin, " dit Luca Banszerus, un chercheur à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle en Allemagne et le premier auteur de l'article rapportant ces résultats.
Bien que ce niveau de contrôle ait été démontré dans des points quantiques uniques, c'est la première démonstration en points quantiques doubles de graphène, qui sont particulièrement utiles comme qubits de spin. "L'utilisation d'un double point facilite grandement la lecture de l'état de spin de l'électron et la mise en place de portes quantiques, " ajoute Banszerus.
Points quantiques moins énervés
L'idée d'utiliser le graphène dans les points quantiques remonte presque aussi loin que les premiers rapports sur l'isolement du matériau en 2004. Le graphène n'a presque aucune interaction spin-orbite et très peu de couplage hyperfin, ce qui suggère que les durées de vie des spins peuvent être extrêmement élevées. Malheureusement, les points quantiques gravés physiquement à partir de plus gros flocons de graphène rencontrent des problèmes en raison du désordre sur les bords du point perturbant le comportement du matériau. Par conséquent, le comportement de transport de ces boîtes quantiques est dominé par des états localisés aux bords. « Cela conduit à une taille de point quantique effective inconnue et à une occupation de nombreux électrons, " dit Banszerus.
Au lieu, Banszerus et ses collègues du RWTH Aachen et de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon travaillent avec du graphène bicouche, qui peut être réglé pour être un semi-conducteur. Une tension appliquée à des régions spécifiques d'un flocon de graphène bicouche peut faire en sorte que ces régions se comportent comme des isolants, définissant électrostatiquement un point quantique qui n'a pas d'états de bord à proximité.
Les chercheurs d'Aix-la-Chapelle retirent des flocons simples de graphène bicouche du graphite (exfoliation mécanique) et le manipulent à l'aide d'une technique de prélèvement à sec qui repose sur les interactions de van der Waals. Ils encapsulent le graphène bicouche dans un cristal de nitrure de bore hexagonal (hBN). Ils placent ensuite la structure sur un éclat de graphite, qui sert d'électrode inférieure, et ajouter des grilles fendues en chrome et en or et des grilles en doigt séparées des grilles fendues par une couche de 30 nm d'épaisseur de couche atomique déposée en Al
Ils ont pu contrôler le nombre d'électrons sur les points quantiques en appliquant une tension, qui a également affecté le couplage tunnel entre les points. Par conséquent, une fois que l'occupation totale des deux boîtes quantiques dépasse huit électrons, ils commencent à se comporter comme un seul point quantique, plutôt qu'un double point quantique. Les mesures de transport ont également révélé que le nombre d'électrons chargés sur la boîte quantique pouvait être contrôlé jusqu'à zéro électron.
L'idée de définir de manière électrostatique les points quantiques dans le graphène bicouche n'est pas nouvelle. Cependant, bien que différents groupes aient tenté cette approche depuis 2010, le processus nécessitait des trucs du métier récemment découverts, comme une meilleure encapsulation dans le hBN et l'utilisation de paillettes de graphite comme grilles pour obtenir une bande interdite propre. Banszerus dit que ces développements ont été une surprise et ont ravivé l'intérêt pour les points quantiques de graphène en 2018. Il espère que les capacités qu'ils ont maintenant démontrées stimuleront davantage l'activité dans ce domaine.
Contrôle de couplage
"Même si être capable de contrôler le nombre de charges dans un double point de graphène est un énorme pas en avant, il reste encore de nombreux problèmes à résoudre sur la voie des technologies de l'information quantique basées sur le spin dans le graphène, " dit Banszerus. Ensuite, il espère s'attaquer au problème du contrôle du couplage entre les boîtes quantiques et le réservoir, ce qu'il espère réaliser en ajoutant une couche supplémentaire de portes de doigt interdigitées sur le dessus.
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