Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han creado e imaginado por primera vez un nuevo par de puntos cuánticos:pequeñas islas de carga eléctrica confinada que actúan como átomos artificiales en interacción. Estos puntos cuánticos "acoplados" podrían servir como un bit cuántico robusto, o qubit, la unidad fundamental de información para una computadora cuántica. Es más, los patrones de carga eléctrica en la isla no se pueden explicar completamente con los modelos actuales de física cuántica, ofreciendo una oportunidad para investigar nuevos y ricos fenómenos físicos en los materiales.

A diferencia de una computadora clásica, que se basa en bits binarios que tienen solo uno de dos valores fijos, "1" o "0", para almacenar memoria, una computadora cuántica almacenaría y procesaría información en qubits, que puede asumir simultáneamente multitud de valores. Por lo tanto, podrían realizar mucho más, operaciones más complejas que los bits clásicos y tienen el potencial de revolucionar la informática.

Los electrones orbitan el centro de un único punto cuántico de forma similar a como orbitan los átomos. Las partículas cargadas solo pueden ocupar niveles de energía permitidos específicos. En cada nivel de energía, un electrón puede ocupar un rango de posibles posiciones en el punto, trazar una órbita cuya forma está determinada por las reglas de la teoría cuántica. Un par de puntos cuánticos acoplados pueden compartir un electrón entre ellos, formando un qubit.

Para fabricar los puntos cuánticos, el equipo dirigido por NIST, que incluyó a investigadores de la Universidad de Maryland NanoCenter y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón, usó la punta ultrafilada de un microscopio de efecto túnel (STM) como si fuera un lápiz óptico de un Etch A Sketch. Colocando la punta sobre una hoja ultra fría de grafeno (una sola capa de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal), los investigadores aumentaron brevemente el voltaje de la punta.

El campo eléctrico generado por el pulso de voltaje penetró a través del grafeno en una capa subyacente de nitruro de boro. donde despojó a los electrones de las impurezas atómicas en la capa y creó una acumulación de carga eléctrica. El pileup acorralaba electrones flotando libremente en el grafeno, confinándolos a un diminuto pozo de energía.

Pero cuando el equipo aplicó un campo magnético de 4 a 8 tesla (alrededor de 400 a 800 veces la fuerza de un pequeño imán de barra), alteró drásticamente la forma y distribución de las órbitas que podían ocupar los electrones. En lugar de un solo pozo, los electrones ahora residían dentro de dos conjuntos de concéntricos, anillos estrechamente espaciados dentro del pozo original separados por una pequeña cáscara vacía. Los dos conjuntos de anillos para los electrones ahora se comportaron como si fueran puntos cuánticos débilmente acoplados.

Esta es la primera vez que los investigadores sondean el interior de un sistema de puntos cuánticos acoplados tan profundamente, obtener imágenes de la distribución de electrones con resolución atómica (ver ilustración), señaló el coautor del NIST, Daniel Walkup. Para tomar imágenes y espectros de alta resolución del sistema, el equipo aprovechó una relación especial entre el tamaño de un punto cuántico y el espaciado de los niveles de energía ocupados por los electrones en órbita:cuanto más pequeño es el punto, cuanto mayor sea el espaciado, y más fácil es distinguir entre niveles de energía adyacentes.

En un estudio previo de puntos cuánticos utilizando grafeno, el equipo aplicó un campo magnético más pequeño y encontró una estructura de anillos, parecido a un pastel de bodas, centrado en un solo punto cuántico, que es el origen de los anillos de puntos cuánticos concéntricos. Al usar la punta STM para construir puntos de aproximadamente la mitad del diámetro (100 nanómetros) de los puntos que habían estudiado previamente, los investigadores lograron revelar la estructura completa del sistema acoplado.

El equipo, que incluía Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez y Joseph Stroscio en NIST y Maryland NanoCenter, describe sus hallazgos hoy en Revisión física B .

La forma en que los electrones se comparten entre los dos puntos acoplados no puede explicarse mediante modelos aceptados de la física cuántica de puntos, dijo Walkup. Este acertijo puede ser importante de resolver si los puntos cuánticos acoplados eventualmente se van a usar como qubits en la computación cuántica. Notó Stroscio.