Le piégeage et le contrôle des électrons dans les points quantiques de graphène bicouche offrent une plate-forme prometteuse pour les technologies de l'information quantique. Des chercheurs de l'UC Santa Cruz ont maintenant réalisé la première visualisation directe de points quantiques dans le graphène bicouche, révélant la forme de la fonction d'onde quantique des électrons piégés.

Les résultats, publié le 23 novembre dans Lettres nano , fournir des connaissances fondamentales importantes nécessaires pour développer des technologies de l'information quantique basées sur des points quantiques de graphène bicouche.

"Il y a eu beaucoup de travail pour développer ce système pour la science de l'information quantique, mais nous n'avons pas compris à quoi ressemblent les électrons dans ces points quantiques, " a déclaré l'auteur correspondant Jairo Velasco Jr., professeur assistant de physique à l'UC Santa Cruz.

Alors que les technologies numériques conventionnelles codent les informations en bits représentés par 0 ou 1, un peu quantique, ou qubit, peut représenter les deux états en même temps en raison de la superposition quantique. En théorie, les technologies basées sur les qubits permettront une augmentation massive de la vitesse et de la capacité de calcul pour certains types de calculs.

Une variété de systèmes, à base de matériaux allant du diamant à l'arséniure de gallium, sont explorées en tant que plateformes pour créer et manipuler des qubits. Graphène bicouche (deux couches de graphène, qui est un arrangement bidimensionnel d'atomes de carbone dans un réseau en nid d'abeille) est un matériau attrayant car il est facile à produire et à travailler, et les points quantiques dans le graphène bicouche ont des propriétés souhaitables.

"Ces points quantiques sont une plate-forme émergente et prometteuse pour la technologie de l'information quantique en raison de leur décohérence de spin supprimée, degrés de liberté quantiques contrôlables, et accordabilité avec des tensions de commande externes, ", a déclaré Velasco.

Comprendre la nature de la fonction d'onde de la boîte quantique dans le graphène bicouche est important car cette propriété de base détermine plusieurs caractéristiques pertinentes pour le traitement de l'information quantique, comme le spectre d'énergie des électrons, les interactions entre électrons, et le couplage des électrons à leur environnement.

L'équipe de Velasco a utilisé une méthode qu'il avait développée précédemment pour créer des points quantiques dans du graphène monocouche à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM). Avec le graphène reposant sur un cristal hexagonal isolant de nitrure de bore, une tension élevée appliquée avec la pointe STM crée des charges dans le nitrure de bore qui servent à confiner électrostatiquement les électrons dans le graphène bicouche.

"Le champ électrique crée un corral, comme une clôture électrique invisible, qui piège les électrons dans la boîte quantique, " expliqua Velasco.

Les chercheurs ont ensuite utilisé le microscope à effet tunnel pour imager les états électroniques à l'intérieur et à l'extérieur du corral. Contrairement aux prédictions théoriques, les images résultantes ont montré une symétrie de rotation brisée, avec trois pics au lieu des anneaux concentriques attendus.

"Nous voyons des anneaux à symétrie circulaire dans le graphène monocouche, mais dans le graphène bicouche, les états des points quantiques ont une symétrie triple, " Velasco a déclaré. "Les pics représentent des sites de haute amplitude dans la fonction d'onde. Les électrons ont une double nature onde-particule, et nous visualisons les propriétés ondulatoires de l'électron dans la boîte quantique."

Ce travail fournit des informations cruciales, comme le spectre d'énergie des électrons, nécessaires pour développer des dispositifs quantiques basés sur ce système. "Il fait progresser la compréhension fondamentale du système et de son potentiel pour les technologies de l'information quantique, " dit Velasco. " C'est une pièce manquante du puzzle, et pris avec le travail des autres, Je pense que nous nous efforçons d'en faire un système utile."