Simetría partícula-hueco casi perfecta en puntos cuánticos de grafeno
"Esto va más allá de lo que puede hacerse en los semiconductores convencionales o en cualquier otro sistema bidimensional de electrones"
Investigadores de la Universidad RWTH de Aquisgrán y del Forschungszentrum Jülich han descubierto importantes características de los puntos cuánticos dobles en el grafeno bicapa, un material cada vez más prometedor para posibles aplicaciones en tecnologías cuánticas. El equipo ha demostrado una simetría partícula-hueco casi perfecta en los puntos cuánticos de grafeno, lo que podría conducir a un procesamiento más eficiente de la información cuántica. El estudio se ha publicado en Nature.
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Los puntos cuánticos dobles se han estudiado ampliamente en plataformas semiconductoras estándar como el arseniuro de galio, el silicio o el germanio de silicio, ya que proporcionan una plataforma de estado sólido conveniente para codificar información cuántica. El Grupo de Materiales y Dispositivos Cuánticos 2D de la Universidad RWTH de Aquisgrán ha demostrado ahora que los puntos cuánticos dobles en el grafeno bicapa tienen más que ofrecer que en otros materiales: permiten realizar sistemas con una simetría partícula-hueco casi perfecta, en los que el transporte se produce a través de la creación y aniquilación de pares electrón-hueco con números cuánticos opuestos. Esto da lugar a fuertes reglas de selección que pueden utilizarse para esquemas de lectura de alta fidelidad de qubits de espín y valle.
Antipartículas, también llamadas agujeros
En 1931, el físico británico Paul Dirac publicó un artículo en el que predecía la existencia de un "antielectrón". Esta antipartícula tendría la misma masa que un electrón, pero la carga y el espín opuestos, y un par partícula-antipartícula se aniquilaría al interactuar. La existencia del antielectrón -que finalmente recibió el nombre de positrón- se demostró experimentalmente un año después. Se trataba de la primera aparición de una antipartícula.
El concepto de antipartícula desempeña un papel fundamental en la física de la materia condensada, donde las antipartículas suelen denominarse agujeros. Por ejemplo, la presencia (o ausencia) de simetría entre los estados de partícula y agujero es importante para caracterizar las fases topológicas de los sistemas de materia condensada. Sin embargo, la simetría partícula-agujero rara vez está presente en los semiconductores. Una excepción notable es el grafeno bicapa con huecos en el límite de baja energía.
Puntos cuánticos para electrones y huecos
"El grafeno bicapa es un semiconductor único", explica Christoph Stampfer, catedrático de Física Experimental de la Universidad RWTH de Aquisgrán y autor del artículo. "Comparte varias propiedades con el grafeno monocapa, como un bajo acoplamiento espín-órbita y un espectro de baja energía perfectamente simétrico electrón-hueco. Esto lo hace muy interesante para las tecnologías cuánticas. Además, tiene una brecha de banda que puede ajustarse de cero a unos 120 mili-electronvoltios mediante un campo eléctrico externo".
La brecha de banda permite crear puntos cuánticos en el grafeno bicapa utilizando geometrías de puerta muy similares a las empleadas en el silicio. Sin embargo, debido al pequeño tamaño de la brecha, estos puntos cuánticos pueden ser ambipolares, lo que significa que pueden atrapar tanto electrones como huecos, dependiendo del voltaje aplicado en las compuertas. Aprovechando esta propiedad y el exquisito nivel de control electrostático conseguido en sus dispositivos de doble capa de grafeno, Stampfer y sus colegas han creado puntos cuánticos dobles electrón-hueco en los que cada uno de los puntos alberga como máximo un electrón o un hueco. En un sistema así, el transporte eléctrico sólo puede producirse si se pueden crear o aniquilar continuamente pares electrón-hueco con números cuánticos opuestos.
Simetría casi perfectamente preservada
Este hecho tiene dos consecuencias notables. En primer lugar, mediante un cuidadoso análisis de la corriente a través del sistema, los autores han podido demostrar experimentalmente por primera vez la simetría entre los estados de electrones y huecos en el grafeno bicapa. Demostraron que la simetría se conserva casi a la perfección incluso cuando los electrones y los huecos se separan físicamente en puntos cuánticos diferentes. En segundo lugar, desvelaron que esta simetría conduce a un mecanismo de bloqueo fuerte y robusto en el transporte a través del sistema, que puede proporcionar un esquema de lectura fiable para qubits de espín y valle.
"Esto va más allá de lo que puede hacerse en semiconductores convencionales o en cualquier otro sistema bidimensional de electrones", afirma el profesor Fabian Hassler, del Instituto JARA de Información Cuántica de la Universidad RWTH de Aquisgrán y coautor del trabajo. "La simetría casi perfecta que observamos en nuestro trabajo y las fuertes reglas de selección que se derivan de esta simetría son muy atractivas no sólo para el funcionamiento de qubits, sino también para implementar detectores tera-Hertz de una sola partícula. Además, será interesante acoplar puntos cuánticos de grafeno bicapa con superconductores, dos sistemas en los que la simetría electrón-hueco desempeña un papel importante. Estos dispositivos híbridos podrían aprovecharse para crear fuentes eficientes de pares de partículas enredadas o sistemas topológicos de ingeniería, con lo que daríamos un paso más hacia la realización de dispositivos de computación cuántica topológica."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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