La punta cargada de un microscopio de efecto túnel y un campo magnético adicional conducen a estados de electrones estables localizados en el grafeno. Crédito:Nils Freitag, RWTH Aquisgrán
En una pequeña prisión cuántica los electrones se comportan de manera bastante diferente en comparación con sus contrapartes en el espacio libre. Solo pueden ocupar niveles de energía discretos, muy parecido a los electrones en un átomo, por esta razón, tales prisiones de electrones a menudo se denominan "átomos artificiales". Los átomos artificiales también pueden presentar propiedades más allá de las convencionales, con potencial para muchas aplicaciones, por ejemplo, en computación cuántica. Estas propiedades adicionales ahora se han demostrado para los átomos artificiales en el material de carbono grafeno. Los resultados se han publicado en la revista Nano letras , el proyecto fue una colaboración de científicos de TU Wien (Viena, Austria), RWTH Aachen (Alemania) y la Universidad de Manchester (GB).
Construyendo átomos artificiales
"Los átomos artificiales abren nuevos posibilidades emocionantes, porque podemos ajustar directamente sus propiedades ", dice el profesor Joachim Burgdörfer (TU Wien, Viena). En materiales semiconductores como el arseniuro de galio, ya se ha demostrado que es posible atrapar electrones en pequeños confinamientos. Estas estructuras se denominan a menudo "puntos cuánticos". Como en un átomo donde los electrones solo pueden rodear el núcleo en ciertas órbitas, los electrones en estos puntos cuánticos son forzados a estados cuánticos discretos.
Se abren posibilidades aún más interesantes mediante el uso de grafeno, un material que consta de una sola capa de átomos de carbono, que ha llamado mucho la atención en los últimos años. "En la mayoría de los materiales, los electrones pueden ocupar dos estados cuánticos diferentes a una energía dada. La alta simetría de la red de grafeno permite cuatro estados cuánticos diferentes. Esto abre nuevas vías para el procesamiento y almacenamiento de información cuántica ", explica Florian Libisch de TU Wien. Sin embargo, La creación de átomos artificiales bien controlados en grafeno resultó ser un gran desafío.
Florian Libisch, explicando la estructura del grafeno. Crédito:TU Wien
La vanguardia no es suficiente
Hay diferentes formas de crear átomos artificiales:la más simple es poner electrones en pequeñas escamas, corte de una capa delgada del material. Si bien esto funciona para el grafeno, la simetría del material se rompe por los bordes de la escama que nunca pueden ser perfectamente lisos. Como consecuencia, la multiplicidad especial cuádruple de estados en el grafeno se reduce al doble convencional.
Por lo tanto, Había que encontrar diferentes formas:no es necesario utilizar pequeñas escamas de grafeno para capturar electrones. Usar combinaciones inteligentes de campos eléctricos y magnéticos es una opción mucho mejor. Con la punta de un microscopio de efecto túnel, un campo eléctrico se puede aplicar localmente. De esa manera, se crea una pequeña región dentro de la superficie del grafeno, en el que pueden quedar atrapados electrones de baja energía. Al mismo tiempo, los electrones son forzados a pequeñas órbitas circulares aplicando un campo magnético. "Si solo usáramos un campo eléctrico, los efectos cuánticos permiten que los electrones abandonen rápidamente la trampa ", explica Libisch.
Los átomos artificiales fueron medidos en el RWTH Aachen por Nils Freitag y Peter Nemes-Incze en el grupo del profesor Markus Morgenstern. Las simulaciones y los modelos teóricos fueron desarrollados en TU Wien (Viena) por Larisa Chizhova, Florian Libisch y Joachim Burgdörfer. La muestra de grafeno excepcionalmente limpia provino del equipo formado por Andre Geim y Kostya Novoselov de Manchester (GB); estos dos investigadores recibieron el Premio Nobel en 2010 por crear láminas de grafeno por primera vez.
Los nuevos átomos artificiales ahora abren nuevas posibilidades para muchos experimentos de tecnología cuántica:"Cuatro estados de electrones localizados con la misma energía permiten cambiar entre diferentes estados cuánticos para almacenar información", dice Joachim Burgdörfer. Los electrones pueden conservar superposiciones arbitrarias durante mucho tiempo, propiedades ideales para computadoras cuánticas. Además, El nuevo método tiene la gran ventaja de la escalabilidad:debería ser posible colocar muchos de estos átomos artificiales en un pequeño chip para usarlos en aplicaciones de información cuántica.
