Các nhà khoa học khoan vào graphene trắng để tạo ra các nguyên tử nhân tạo

Bằng cách khoan các lỗ vào một tấm mỏng boron nitride hai chiều mỏng bằng chùm ion tập trung gallium, các nhà khoa học của Đại học Oregon đã tạo ra các nguyên tử nhân tạo tạo ra các photon đơn lẻ.

Các nguyên tử nhân tạo – hoạt động trong không khí và ở nhiệt độ phòng – có thể là một bước tiến lớn trong nỗ lực phát triển điện toán lượng tử toàn quang, nhà vật lý UO, ông Stewamín J. Alemán, nhà nghiên cứu chính của một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nano Letters .

“Công việc của chúng tôi cung cấp một nguồn photon đơn lẻ có thể đóng vai trò là người mang thông tin lượng tử hoặc là qubit. Chúng tôi đã tạo khuôn mẫu cho các nguồn này, tạo ra nhiều như chúng tôi muốn, ở nơi chúng tôi muốn”, Alemán, thành viên của Khoa học vật liệu của UO nói Viện và Trung tâm Khoa học Quang học, Phân tử và Lượng tử. “Chúng tôi muốn mô hình hóa các bộ phát photon đơn lẻ này thành các mạch hoặc mạng trên một vi mạch để chúng có thể nói chuyện với nhau hoặc với các qubit khác hiện có, như các spin trạng thái rắn hoặc các qubit mạch siêu dẫn.”

Các nguyên tử nhân tạo đã được phát hiện cách đây ba năm trong các mảnh boron nitride hình lục giác 2D, một lớp cách điện duy nhất của các nguyên tử boron và nitơ xen kẽ trong một mạng tinh thể còn được gọi là graphene trắng. Alemán là một trong số nhiều nhà nghiên cứu đang sử dụng khám phá đó để sản xuất và sử dụng các photon làm nguồn của các photon và qubit đơn trong các mạch quang tử lượng tử.

Các phương pháp truyền thống để sử dụng các nguyên tử trong nghiên cứu lượng tử đã tập trung vào việc bắt các nguyên tử hoặc ion và điều khiển spin của chúng bằng laser để chúng thể hiện sự chồng chất lượng tử hoặc khả năng kết hợp đồng thời các trạng thái “tắt” và “bật”. Nhưng công việc như vậy đã yêu cầu làm việc trong chân không ở nhiệt độ cực lạnh với thiết bị tinh vi.

Được thúc đẩy bởi sự quan sát rằng các nguyên tử nhân tạo thường được tìm thấy gần một cạnh, nhóm của Alemán, được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, lần đầu tiên tạo ra các cạnh trong graphene trắng bằng cách khoan vòng tròn rộng 500 nanomet và sâu 4 nanomet.

Các thiết bị sau đó được ủ trong oxy ở 850 độ C (1.562 độ F) để loại bỏ carbon và các vật liệu còn lại khác và để kích hoạt các nguồn phát. Kính hiển vi đồng tiêu cho thấy những đốm sáng nhỏ đến từ các vùng được khoan. Phóng to, nhóm của Alemán thấy rằng các điểm sáng riêng lẻ đang phát ra ánh sáng ở mức thấp nhất có thể – một photon duy nhất tại một thời điểm.

Các photon riêng lẻ có thể hiểu được có thể được sử dụng như các nhiệt kế cực nhỏ, cực nhạy, trong phân phối khóa lượng tử hoặc để truyền, lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử, Alemán nói.

“Bước đột phá lớn là chúng tôi đã phát hiện ra một cách đơn giản, có thể mở rộng để chế tạo các nguyên tử nhân tạo nano trên một vi mạch và các nguyên tử nhân tạo này hoạt động trong không khí và ở nhiệt độ phòng”, Alemán nói. “Các nguyên tử nhân tạo của chúng tôi sẽ cho phép nhiều công nghệ mới và mạnh mẽ. Trong tương lai, chúng có thể được sử dụng để liên lạc an toàn hơn, an toàn hơn, riêng tư hơn và máy tính mạnh hơn nhiều có thể thiết kế thuốc cứu người và giúp các nhà khoa học hiểu sâu hơn của vũ trụ thông qua tính toán lượng tử. “

Nguồn tin tức:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Oregon . Bản gốc được viết bởi Jim Barlow. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Joshua Ziegler, Rachael Klaiss, Andrew Blaikie, David Miller, Viva R. Horowitz, Stewamín J. Alemán. Sự hình thành phát xạ lượng tử xác định trong Nitrat Boron hình lục giác thông qua việc tạo cạnh được kiểm soát . Chữ Nano , 2019; 19 (3): 2121 DOI: 10.1021 / acs.nanolett.9b00357