Создание искусственных атомов«Искусственные атомы открывают новые захватывающие возможности, потому что мы можем напрямую настраивать их свойства», — говорит профессор Иоахим Бургдорфер (TU Wien, Вена). В полупроводниковых материалах, таких как арсенид галлия, возможность захвата электронов крошечными ограничениями уже была показана. Эти структуры часто называют «квантовыми точками». Так же, как в атоме, где электроны могут вращаться вокруг ядра только на определенных орбитах, электроны в этих квантовых точках вынуждены переходить в дискретные квантовые состояния.
Еще более интересные возможности открываются при использовании графена — материала, состоящего из одного слоя атомов углерода, который в последние несколько лет привлек к себе большое внимание. «В большинстве материалов электроны могут занимать два разных квантовых состояния при заданной энергии. Высокая симметрия решетки графена допускает четыре разных квантовых состояния. Это открывает новые возможности для обработки и хранения квантовой информации», — объясняет Флориан Либиш из TU Wien.
Однако создание хорошо контролируемых искусственных атомов в графене оказалось чрезвычайно сложной задачей.Режущего края недостаточноСуществуют разные способы создания искусственных атомов.
Самый простой — собрать электроны в крошечные хлопья, вырезанные из тонкого слоя материала. Хотя это работает для графена, симметрия материала нарушается краями чешуйки, которые никогда не могут быть идеально гладкими. Следовательно, особая четырехкратная множественность состояний в графене сводится к обычной двукратной.
Поэтому пришлось искать разные способы: нет необходимости использовать маленькие чешуйки графена для захвата электронов. Намного лучше использовать умные комбинации электрических и магнитных полей. С помощью наконечника сканирующего туннельного микроскопа можно локально приложить электрическое поле. Таким образом, на поверхности графена создается крошечная область, в которой могут быть захвачены электроны с низкой энергией.
В то же время электроны вытесняются на крошечные круговые орбиты под действием магнитного поля. «Если бы мы использовали только электрическое поле, квантовые эффекты позволили бы электронам быстро покинуть ловушку», — объясняет Либиш.Искусственные атомы были измерены в RWTH Aachen Нильсом Фрайтагом и Питером Немес-Инкзе в группе профессора Маркуса Моргенштерна. Моделирование и теоретические модели были разработаны в Венском техническом университете (Вена) Ларисой Чижовой, Флорианом Либишем и Иоахимом Бургдорфер. Исключительно чистый образец графена был получен от команды Андре Гейма и Кости Новоселова из Манчестера (Великобритания) — эти два исследователя были удостоены Нобелевской премии в 2010 году за первое создание графеновых листов.
Новые искусственные атомы теперь открывают новые возможности для многих квантовых технологических экспериментов: «Четыре локализованных электронных состояния с одинаковой энергией позволяют переключаться между различными квантовыми состояниями для хранения информации», — говорит Иоахим Бургдорфер. Электроны могут долгое время сохранять произвольные суперпозиции, идеальные свойства для квантовых компьютеров.
Кроме того, новый метод имеет большое преимущество масштабируемости: должно быть возможно разместить множество таких искусственных атомов на небольшом чипе, чтобы использовать их для приложений квантовой информации.