Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kvantové tečky se již používají poměrně běžně, jedná se o potenciálové jámy v polovodičích, „virtuální atomy“, v nichž se podobně jako v normálních atomech mohou elektrony nacházet pouze na oddělených (kvantovaných) energetických vrstvách. Vědci nyní dokázali znázornit, jak vypadají vlnové funkce takto uvězněných elektronů ve dvojvrstvém grafenu.
Kvantové tečky ve dvojvrstvém grafenu mají řadu výhod. Materiál lze snadno připravit (poznámka PH: tedy z hlediska výzkumných laboratoří, nikoliv v průmyslovém měřítku; má-li jít navíc o různé triky s magickými úhly, kdy jsou vůči sobě obě vrstvy přesně pootočeny, pak to není snadné ani tak) a snadno se s ním pracuje. Je zde relativně dlouhá doba dekoherence spinu (PH: jinak řečeno, než vlnová funkce samovolně zkolabuje, výpočet kvantového počítače může probíhat relativně dlouho), kvantové stupně volnosti lze dobře řídit a vlastnosti materiálu lze navíc bez větších problémů ladit pomocí vnějšího elektrického napětí. Další oblíbené materiály pro realizaci kvantových teček představují třeba diamant nebo arsenid galitý.
Vlnová funkce elektronů v kvantové tečce je pro vlastní kvantový výpočet klíčová – ukazuje, jak elektrony (tj. qubity) interagují mezi sebou i s prostředím, jejich spektra apod. Tým společnosti Velsaco a University of California v Santa Cruz použil nejprve skenovací tunelový mikroskop k vytvoření teček. Grafen byl umístěn na krystalu nitridu boru, hrot STM mikroskopu na něj působil velkým napětím a náboje v nitridu bóru pak vytvořily v grafenu příslušné kvantové tečky – tedy uzavřené oblasti pro elektrony. V dalším kroku pak STM fungoval v roli samotného mikroskopu, tedy pro zobrazení stavu elektronů uvnitř a vně teček. Zajímavé je, že zatímco teoretické modely předpokládaly vlnové funkce v podobě soustředných prstenců, jak ukazuje obrázek, příslušná symetrie byla narušena a naopak se objevily tři vrcholy. Vrcholy představují místa s vysokou amplitudou vlnové funkce. (Poznámka PH: a amplitudám vlnové funkce pak odpovídá i pravděpodobnost, že částice je právě na tomto místě, „hustota“. Vlastní hustota pravděpodobnosti výskytu je druhou mocninou amplitudy pravděpodobnosti. Částice má „celkový výskyt“ 1, takže integrál druhé mocniny této funkce přes jednotlivé osy = 1; jak si to alespoň laicky představuji, kvantovým specialistům se omlouvám. To vše by navíc platilo pro jeden elektron, toto je vlnová funkce pro více elektronů chycených v tečce.) Zajímavé ale je, že toto platí pouze u dvojvrstvého grafenu, u jednovrstvého má funkce skutečně podobu prstenců, jak předpokládala teorie.
Kvantové tečky se dnes uplatňují např. v laserech nebo pro zobrazovací technologie v displejích, tento výzkum si ale klade za cíl umožnit jejich efektivní využití pro kvantové počítání.
Zhehao Ge et al, Visualization and Manipulation of Bilayer Graphene Quantum Dots with Broken Rotational Symmetry and Nontrivial Topology, Nano Letters (2020). DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03453
Zdroj: University of California – Santa Cruz / Phys.org
