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  • Los investigadores crean puntos cuánticos con precisión de un solo átomo

    Esta imagen muestra estados de electrones cuantificados, para números cuánticos n =1 a 6, de un punto cuántico lineal que consta de 22 átomos de indio colocados en la superficie de un cristal de InAs. Crédito:Stefan Fölsch / PDI

    Un equipo de físicos del Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) en Berlín, Alemania, Laboratorios de Investigación Básica NTT en Atsugi, Japón, y el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) ha utilizado un microscopio de túnel de barrido para crear puntos cuánticos con idénticos, Tamaños deterministas. La perfecta reproducibilidad de estos puntos abre la puerta a arquitecturas de puntos cuánticos completamente libres de variaciones incontroladas. un objetivo importante para las tecnologías desde la nanofotónica hasta el procesamiento de información cuántica, así como para los estudios fundamentales. Los hallazgos completos se publican en la edición de julio de 2014 de la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

    Los puntos cuánticos a menudo se consideran átomos artificiales porque, como átomos reales, confinan sus electrones a estados cuantificados con energías discretas. Pero la analogía se rompe rápidamente, porque si bien los átomos reales son idénticos, Los puntos cuánticos generalmente comprenden cientos o miles de átomos, con variaciones inevitables en su tamaño y forma y, como consecuencia, en sus propiedades y comportamiento. Se pueden utilizar puertas electrostáticas externas para reducir estas variaciones. Pero el objetivo más ambicioso de crear puntos cuánticos con una fidelidad intrínsecamente perfecta al eliminar por completo las variaciones estadísticas en su tamaño, forma, y el arreglo ha sido durante mucho tiempo difícil de alcanzar.

    La creación de puntos cuánticos atómicamente precisos requiere que cada átomo se coloque en una ubicación especificada con precisión sin errores. El equipo reunió los puntos átomo por átomo, utilizando un microscopio de efecto túnel (STM), y se basó en una plantilla de superficie atómicamente precisa para definir una red de posiciones atómicas permitidas. La plantilla era la superficie de un cristal InAs, que tiene un patrón regular de vacantes de indio y una baja concentración de adatomas de indio nativos adsorbidos por encima de los sitios de vacantes. Los adatomos son donantes +1 ionizados y se pueden mover con la punta del STM mediante la manipulación vertical del átomo. El equipo ensambló puntos cuánticos que consisten en cadenas lineales de N =6 a 25 átomos de indio; el ejemplo que se muestra aquí es una cadena de 22 átomos.

    Stefan Fölsch, un físico del PDI que dirigió el equipo, explicó que "los adatomas de indio ionizados forman un punto cuántico al crear un pozo electrostático que confina los electrones normalmente asociados con un estado de superficie del cristal de InAs. Los estados cuantificados se pueden sondear y mapear escaneando mediciones de espectroscopía de efecto túnel de la conductancia diferencial". Estos espectros muestran una serie de resonancias etiquetadas por el número cuántico principal n. Los mapas espaciales revelan las funciones de onda de estos estados cuantificados, que tienen n lóbulos y n - 1 nodos a lo largo de la cadena, exactamente como se esperaba para un electrón de mecánica cuántica en una caja. Para el ejemplo de la cadena de 22 átomos, se muestran los estados hasta n =6.

    Esta imagen muestra una "molécula" de puntos cuánticos que consta de tres cadenas de indio de 6 átomos. En el panel superior, la molécula tiene una simetría triple perfecta y, por tanto, un estado doblemente degenerado. En los tres paneles inferiores, la simetría se rompe progresivamente para explorar cómo desaparece la degeneración. Crédito:Stefan Fölsch / PDI

    Debido a que los átomos de indio están estrictamente confinados al entramado regular de los sitios vacantes, cada punto cuántico con N átomos es esencialmente idéntico, sin variación intrínseca de tamaño, forma, o posición. Esto significa que las "moléculas" de puntos cuánticos que constan de varias cadenas acopladas reflejarán la misma invariancia. Steve Erwin, un físico de NRL y el teórico del equipo, señaló que "esto simplifica enormemente la tarea de crear, proteger, y controlar estados degenerados en moléculas de puntos cuánticos, que es un requisito previo importante para muchas tecnologías ". En la computación cuántica, por ejemplo, Los qubits con estados fundamentales doblemente degenerados ofrecen protección contra la decoherencia ambiental. Al combinar la invariancia de las moléculas de puntos cuánticos con la simetría intrínseca de la red de vacantes de InAs, el equipo creó estados degenerados que son sorprendentemente resistentes a las perturbaciones ambientales por defectos. En el ejemplo que se muestra aquí, Primero se creó una molécula con simetría rotacional triple perfecta y se demostró experimentalmente su estado degenerado doble. Al romper intencionalmente la simetría, el equipo descubrió que la degeneración se eliminó progresivamente, completando la demostración.

    La reproducibilidad y alta fidelidad que ofrecen estos puntos cuánticos los convierte en excelentes candidatos para el estudio de la física fundamental que normalmente se ve oscurecida por variaciones estocásticas de tamaño. forma, o posición de las cadenas. Viendo hacia adelante, El equipo también anticipa que la eliminación de variaciones incontroladas en las arquitecturas de puntos cuánticos ofrecerá muchos beneficios a una amplia gama de tecnologías futuras de puntos cuánticos en las que la fidelidad es importante.


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