Dois novos materiais, cada um composto por uma única camada atômica e a ponta de um microscópio de tunelamento, são os ingredientes para um novo tipo de ponto quântico. Essas nanoestruturas extremamente pequenas permitem um controle delicado de elétrons individuais por meio do ajuste fino de seus níveis de energia diretamente. Esses dispositivos são fundamentais para as tecnologias quânticas modernas.

As simulações teóricas para a nova tecnologia foram realizadas pela equipe do Prof. Florian Libisch e do Prof. Joachim Burgdörfer na TU Wien. O experimento envolveu o grupo do Prof. Markus Morgenstern da RWTH Aachen e a equipe em torno dos ganhadores do Prêmio Nobel Andre Geim e Kostya Novoselov de Manchester, quem preparou as amostras. Os resultados já foram publicados em Nature Nanotechnology .

"Para muitas aplicações no campo das tecnologias quânticas, exigimos um sistema quântico em que os elétrons ocupem dois estados, ligado ou desligado, com a diferença de que a física quântica também permite sobreposições arbitrárias dos estados ligado e desligado, "explica Florian Libisch, do Instituto de Física Teórica da TU Wien.

Uma propriedade chave de tais sistemas é a diferença de energia entre os dois estados quânticos:"A manipulação eficiente das informações armazenadas no estado quântico dos elétrons requer controle perfeito dos parâmetros do sistema. Um sistema ideal permite o ajuste contínuo da diferença de energia de zero a um grande valor, "diz Libisch.

Para sistemas encontrados na natureza, por exemplo, átomos - isso geralmente é difícil de perceber. As energias dos estados atômicos, e, portanto, suas diferenças, são fixos. O ajuste de energias torna-se possível em nanoestruturas sintéticas projetadas para confinar elétrons. Essas estruturas são frequentemente chamadas de pontos quânticos, ou "átomos artificiais".

A equipe de pesquisa internacional da TU Wien, RWTH Aachen e a Universidade de Manchester tiveram sucesso no desenvolvimento de um novo tipo de pontos quânticos que permitem níveis de energia de elétrons confinados com muito mais precisão e sintonia do que antes. Isso foi possível pela combinação de dois materiais muito especiais:grafeno, uma camada atômica única condutora de átomos de carbono, e nitreto de boro hexagonal, também uma única camada de material bastante semelhante ao grafeno, exceto que é isolante.

Exatamente como o grafeno, o nitreto de boro também forma uma rede em forma de favo de mel. "Os favos de mel do grafeno e do nitreto de boro hexagonal são, Contudo, não exatamente do mesmo tamanho, "explica Florian Libisch." Se você colocar cuidadosamente uma única camada de grafeno em cima do nitreto de boro hexagonal, as camadas não podem combinar perfeitamente. Esta ligeira incompatibilidade cria uma superestrutura em distâncias de vários nanômetros, o que resulta em uma oscilação espacial extremamente regular semelhante a uma onda da camada de grafeno fora do plano perfeito. "

Como mostram as extensas simulações no TU Wien, essas oscilações exatas no grafeno sobre nitreto de boro hexagonal formam a estrutura ideal para controlar as energias eletrônicas. A paisagem potencial criada pela superestrutura regular permite posicionar com precisão o ponto quântico, ou mesmo movendo-o continuamente e, assim, alterando suavemente suas propriedades. Dependendo da posição exata da ponta do microscópio de tunelamento, os níveis de energia dos estados eletrônicos dentro da mudança do ponto quântico. "Uma mudança de alguns nanômetros permite alterar a diferença de energia de dois níveis de energia vizinhos de menos cinco para mais dez milieletronvolts com alta precisão - uma faixa de sintonia cerca de 50 vezes maior do que anteriormente possível, "explica Florian Libisch.

Como uma próxima etapa, a ponta do microscópio de tunelamento de varredura poderia ser substituída por uma série de portas nanoeletrônicas. Isso permitiria a exploração dos estados de pontos quânticos do grafeno em nitreto de boro hexagonal para tecnologias quânticas escalonáveis, como "valleytronics".

"Este novo campo emergente está rapidamente se tornando um centro das atenções, "diz Florian Libisch." Existem múltiplas aplicações tecnológicas potenciais desses materiais atomicamente finos - é também por isso que a TU Wien também estabeleceu recentemente uma faculdade especial de doutorado focada em materiais bidimensionais. "