Imagen de microscopio de fuerza atómica, mostrando el diseño de la puerta del dispositivo. Los contactos de fuente (S) y drenaje (D) están conectados al BLG a través de vías grabadas en el hBN. La pila de puertas contiene puertas divididas (SG) con una separación de 50 nm y en la parte superior, separados por Al2O3, seis puertas de dedo paralelas con una separación de puerta de 50 nm y un ancho de 100 nm. Las puertas GL y GR (codificadas por colores) se utilizan para controlar las QD discutidas en este trabajo. Crédito:Nano Letters
La primera demostración de puntos cuánticos dobles de grafeno en la que es posible controlar el número de electrones hasta cero se ha informado en Nano letras . Lejos de ser un truco académico abstracto, los resultados podrían resultar clave para futuras implementaciones de computación cuántica basada en grafeno. "Tener información exacta y control sobre la cantidad de electrones en los puntos es esencial para la tecnología de información cuántica basada en espines, "dice Luca Banszerus, investigador de la Universidad RWTH Aachen en Alemania y primer autor del artículo que informa sobre estos resultados.
Aunque este nivel de control se ha demostrado en puntos cuánticos individuales, esta es la primera demostración en puntos cuánticos dobles de grafeno, que son particularmente útiles como spin qubits. "El uso de un punto doble facilita en gran medida la lectura del estado de giro del electrón y la implementación de puertas cuánticas, ", Añade Banszerus.
Puntos cuánticos menos nerviosos
La idea de usar grafeno en puntos cuánticos se remonta casi hasta los primeros informes del aislamiento del material en 2004. El grafeno casi no tiene interacción espín-órbita y muy poco acoplamiento hiperfino. lo que sugeriría que la vida útil del centrifugado puede ser extremadamente alta. Desafortunadamente, Los puntos cuánticos grabados físicamente a partir de copos de grafeno más grandes tienen problemas debido al desorden en los bordes del punto que interrumpe el comportamiento del material. Como resultado, el comportamiento de transporte de estos puntos cuánticos está dominado por estados localizados en los bordes. "Esto conduce a un tamaño de punto cuántico efectivo desconocido y una ocupación de muchos electrones, por lo general, "dice Banszerus.
En lugar de, Banszerus y sus colegas de RWTH Aachen y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón trabajan con grafeno bicapa, que se puede ajustar para ser un semiconductor. Un voltaje aplicado a regiones específicas de una escama de grafeno bicapa puede cambiar esas regiones para que se comporten como aislantes, definir electrostáticamente un punto cuántico que no tiene estados de borde cercanos.
Los investigadores de Aquisgrán extraen escamas individuales de grafeno bicapa del grafito (exfoliación mecánica) y lo manipulan mediante una técnica de recogida en seco que depende de las interacciones de van der Waals. Encapsulan el grafeno bicapa en cristal de nitruro de boro hexagonal (hBN). Luego colocan la estructura en una lama de grafito, que actúa como electrodo inferior, y agregue compuertas de división de cromo y oro y compuertas de dedo separadas de las compuertas de división por una capa de 30 nm de espesor de capa atómica depositada de Al 2 O 3 .
Pudieron controlar la cantidad de electrones en los puntos cuánticos aplicando un voltaje, lo que también afectó al acoplamiento de túneles entre los puntos. Como resultado, una vez que la ocupación total de los dos puntos cuánticos excede los ocho electrones, comienzan a comportarse como un solo punto cuántico, en lugar de un doble punto cuántico. Las mediciones de transporte también revelaron que la cantidad de electrones cargados en el punto cuántico podría controlarse hasta cero electrones.
La idea de definir puntos cuánticos en grafeno bicapa electrostáticamente de esta manera no es nueva. Sin embargo, aunque diferentes grupos han intentado este enfoque desde 2010, el proceso requirió trucos del oficio recientemente descubiertos, como una mejor encapsulación en hBN y el uso de escamas de grafito como puertas para obtener una banda prohibida limpia. Banszerus dice que estos desarrollos fueron una gran sorpresa y revivieron el interés en los puntos cuánticos de grafeno en 2018. Espera que las capacidades que ahora han demostrado impulsen aún más la actividad en este campo.
Control de acoplamiento
"Aunque poder controlar la cantidad de cargas en un punto doble de grafeno es un gran paso adelante, todavía quedan muchos problemas por resolver en el camino hacia la tecnología de la información cuántica basada en espines en el grafeno, "dice Banszerus. A continuación, espera abordar el problema de controlar el acoplamiento entre los puntos cuánticos y el depósito, lo que espera lograr agregando una capa adicional de puertas de dedo interdigitadas en la parte superior.
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