Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas criaram e imaginaram pela primeira vez um novo par de pontos quânticos - pequenas ilhas de carga elétrica confinada que agem como átomos artificiais em interação. Esses pontos quânticos "acoplados" podem servir como um bit quântico robusto, ou qubit, a unidade fundamental de informação para um computador quântico. Além disso, os padrões de carga elétrica na ilha não podem ser totalmente explicados pelos modelos atuais da física quântica, oferecendo uma oportunidade de investigar novos fenômenos físicos ricos em materiais.

Ao contrário de um computador clássico, que se baseia em bits binários que têm apenas um dos dois valores fixos - "1" ou "0" - para armazenar memória, um computador quântico armazenaria e processaria informações em qubits, que pode assumir simultaneamente uma infinidade de valores. Portanto, eles poderiam ter um desempenho muito maior, operações mais complexas do que os bits clássicos e têm o potencial de revolucionar a computação.

Os elétrons orbitam o centro de um único ponto quântico semelhante à maneira como orbitam os átomos. As partículas carregadas só podem ocupar níveis de energia permitidos específicos. Em cada nível de energia, um elétron pode ocupar uma variedade de posições possíveis no ponto, traçando uma órbita cuja forma é determinada pelas regras da teoria quântica. Um par de pontos quânticos acoplados pode compartilhar um elétron entre eles, formando um qubit.

Para fabricar os pontos quânticos, a equipe liderada pelo NIST, que incluiu pesquisadores da University of Maryland NanoCenter e do National Institute for Materials Science no Japão, usou a ponta ultra-afiada de um microscópio de tunelamento de varredura (STM) como se fosse uma caneta de um Etch A Sketch. Pairando a ponta acima de uma folha ultracold de grafeno (uma única camada de átomos de carbono dispostos em um padrão de favo de mel), os pesquisadores aumentaram brevemente a voltagem da ponta.

O campo elétrico gerado pelo pulso de voltagem penetrou através do grafeno em uma camada subjacente de nitreto de boro, onde ele removeu os elétrons das impurezas atômicas da camada e criou um acúmulo de carga elétrica. O pileup encurralou elétrons flutuando livremente no grafeno, confinando-os a um minúsculo poço de energia.

Mas quando a equipe aplicou um campo magnético de 4 a 8 tesla (cerca de 400 a 800 vezes a força de uma pequena barra magnética), alterou dramaticamente a forma e distribuição das órbitas que os elétrons poderiam ocupar. Em vez de um único poço, os elétrons agora residiam em dois conjuntos de concêntricos, anéis bem espaçados dentro do poço original, separados por uma pequena concha vazia. Os dois conjuntos de anéis para os elétrons agora se comportavam como se fossem pontos quânticos fracamente acoplados.

Esta é a primeira vez que os pesquisadores investigaram o interior de um sistema de pontos quânticos acoplados tão profundamente, imagem da distribuição de elétrons com resolução atômica (ver ilustração), notou o co-autor do NIST, Daniel Walkup. Para obter imagens de alta resolução e espectros do sistema, a equipe tirou vantagem de uma relação especial entre o tamanho de um ponto quântico e o espaçamento dos níveis de energia ocupados pelos elétrons em órbita:Quanto menor o ponto, quanto maior o espaçamento, e mais fácil é distinguir entre níveis de energia adjacentes.

Em um estudo anterior de pontos quânticos usando grafeno, a equipe aplicou um campo magnético menor e encontrou uma estrutura de anéis, parecendo um bolo de casamento, centrado em um único ponto quântico, que é a origem dos anéis de pontos quânticos concêntricos. Usando a ponta STM para construir pontos com cerca de metade do diâmetro (100 nanômetros) dos pontos que eles haviam estudado anteriormente, os pesquisadores conseguiram revelar toda a estrutura do sistema acoplado.

O time, que incluiu Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez e Joseph Stroscio no NIST e no NanoCenter de Maryland, descreve suas descobertas hoje em Revisão Física B .

A forma como os elétrons são compartilhados entre os dois pontos acoplados não pode ser explicada por modelos aceitos da física quântica de pontos, disse Walkup. Este quebra-cabeça pode ser importante para resolver se os pontos quânticos acoplados eventualmente forem usados ​​como qubits na computação quântica, Stroscio notou.