Dos materiales novedosos, cada uno compuesto por una sola capa atómica y la punta de un microscopio de efecto túnel, son los ingredientes de un nuevo tipo de punto cuántico. Estas nanoestructuras extremadamente pequeñas permiten un control delicado de los electrones individuales ajustando sus niveles de energía directamente. Estos dispositivos son clave para las tecnologías cuánticas modernas.

Las simulaciones teóricas para la nueva tecnología se realizaron en el equipo del Prof. Florian Libisch y el Prof. Joachim Burgdörfer en TU Wien. El experimento involucró al grupo del profesor Markus Morgenstern en RWTH Aachen y al equipo alrededor de los premios Nobel Andre Geim y Kostya Novoselov de Manchester. quien preparó las muestras. Los resultados ya se han publicado en Nanotecnología de la naturaleza .

"Para muchas aplicaciones en el campo de las tecnologías cuánticas, requerimos un sistema cuántico en el que los electrones ocupen dos estados, Encendido o apagado, con la diferencia de que la física cuántica también permite superposiciones arbitrarias de los estados de encendido y apagado, "explica Florian Libisch del Instituto de Física Teórica de TU Wien.

Una propiedad clave de tales sistemas es la diferencia de energía entre los dos estados cuánticos:"La manipulación eficiente de la información almacenada en el estado cuántico de los electrones requiere un control perfecto de los parámetros del sistema. Un sistema ideal permite el ajuste continuo de la diferencia de energía de cero a un gran valor, "dice Libisch.

Para los sistemas que se encuentran en la naturaleza, por ejemplo, átomos:esto suele ser difícil de realizar. Las energías de los estados atómicos, y de ahí sus diferencias, está arreglado. La sintonización de energías se vuelve posible en nanoestructuras sintéticas diseñadas para confinar electrones. Estas estructuras a menudo se denominan puntos cuánticos, o "átomos artificiales".

El equipo de investigación internacional de TU Wien, RWTH Aachen y la Universidad de Manchester han logrado desarrollar un nuevo tipo de puntos cuánticos que permiten niveles de energía de electrones confinados mucho más precisos y sintonizables que antes. Esto fue posible gracias a la combinación de dos materiales muy especiales:grafeno, una capa atómica única conductora de átomos de carbono, y nitruro de boro hexagonal, también una sola capa de material bastante similar al grafeno excepto que es aislante.

Exactamente como el grafeno, El nitruro de boro también forma una red en forma de panal. "Los panales en grafeno y nitruro de boro hexagonal son, sin embargo, no exactamente del mismo tamaño, "explica Florian Libisch." Si pones con cuidado una sola capa de grafeno encima del nitruro de boro hexagonal, las capas no pueden coincidir perfectamente. Este ligero desajuste crea una superestructura a distancias de varios nanómetros, lo que da como resultado una oscilación espacial similar a una onda extremadamente regular de la capa de grafeno fuera del plano perfecto ".

Como muestran las extensas simulaciones de TU Wien, estas oscilaciones exactas en el grafeno sobre el nitruro de boro hexagonal forman el andamio ideal para controlar las energías de los electrones. El paisaje potencial creado por la superestructura regular permite colocar con precisión el punto cuántico, o incluso moviéndolo continuamente y así cambiando suavemente sus propiedades. Dependiendo de la posición exacta de la punta del microscopio de efecto túnel, los niveles de energía de los estados electrónicos dentro del punto cuántico cambian. "Un cambio de unos pocos nanómetros permite cambiar la diferencia de energía de dos niveles de energía vecinos de menos cinco a más diez milielectronvoltios con alta precisión, un rango de sintonía aproximadamente 50 veces mayor de lo que era posible anteriormente, "explica Florian Libisch.

Como siguiente paso, la punta del microscopio de efecto túnel de barrido podría sustituirse por una serie de puertas nanoelectrónicas. Esto permitiría explotar los estados de puntos cuánticos del grafeno en nitruro de boro hexagonal para tecnologías cuánticas escalables como "valleytronics".

"Este nuevo campo emergente se está convirtiendo rápidamente en un centro de atención, ", dice Florian Libisch." Hay múltiples aplicaciones tecnológicas potenciales de estos materiales atómicamente delgados, por eso también la TU Wien ha establecido recientemente una escuela de doctorado especial centrada en materiales bidimensionales ".