Ein Gitter aus Quanteninseln könnte Geheimnisse für leistungsstarke Technologien enthüllen

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben Gitter aus winzigen Atomklumpen, die als Quantenpunkte bekannt sind, geschaffen und untersucht, was passiert, wenn Elektronen in diese Archipele von Atominseln eintauchen. Die Messung des Verhaltens von Elektronen in diesen relativ einfachen Aufbauten verspricht tiefe Einblicke in das Verhalten von Elektronen in komplexen realen Materialien und könnte Forschern helfen, Geräte zu entwickeln, die leistungsstarke Quantencomputer und andere innovative Technologien ermöglichen.

In Arbeit veröffentlicht in Naturkommunikation, Die Forscher stellten mehrere 3-mal-3-Gitter aus präzise beabstandeten Quantenpunkten her, von denen jeder ein bis drei Phosphoratome umfasste. An den Gittern waren elektrische Leitungen und andere Komponenten befestigt, die es den Elektronen ermöglichten, durch sie zu fließen. Die Gitter boten Spielfelder, in denen sich Elektronen unter nahezu idealen, lehrbuchähnlichen Bedingungen verhalten konnten, frei von den verwirrenden Effekten realer Materialien.

Die Forscher injizierten Elektronen in die Gitter und beobachteten, wie sie sich verhielten, während die Forscher Bedingungen wie den Abstand zwischen den Punkten variierten. Bei Gittern, in denen die Punkte dicht beieinander lagen, neigten die Elektronen dazu, sich auszubreiten und wie Wellen zu wirken, die im Wesentlichen an mehreren Orten gleichzeitig existierten. Wenn die Punkte weit voneinander entfernt waren, wurden sie manchmal in einzelnen Punkten eingeschlossen, wie Elektronen in Materialien mit isolierenden Eigenschaften.

Fortgeschrittene Versionen des Gitters würden es Forschern ermöglichen, das Verhalten von Elektronen in kontrollierbaren Umgebungen mit einem Detaillierungsgrad zu untersuchen, der für die leistungsstärksten konventionellen Computer der Welt unmöglich wäre, genau zu simulieren. Es würde die Tür zu vollwertigen „analogen Quantensimulatoren“ öffnen, die die Geheimnisse exotischer Materialien wie Hochtemperatur-Supraleiter entschlüsseln. Es könnte auch Hinweise darauf geben, wie Materialien wie topologische Isolatoren hergestellt werden können, indem die Geometrie des Quantenpunktarrays gesteuert wird.

In verwandten Arbeiten, die gerade in veröffentlicht wurden ACS-Nano, Dieselben NIST-Forscher verbesserten ihre Herstellungsmethode, sodass sie jetzt zuverlässig eine Anordnung identischer, gleichmäßig beabstandeter Punkte mit jeweils genau einem Atom erzeugen können, was zu noch idealeren Umgebungen führt, die für einen vollständig genauen Quantensimulator erforderlich sind. Die Forscher haben sich zum Ziel gesetzt, einen solchen Simulator mit einem größeren Gitter aus Quantenpunkten zu bauen: Ein 5×5-Array von Punkten kann ein reichhaltiges Elektronenverhalten erzeugen, das selbst mit den fortschrittlichsten Supercomputern unmöglich zu simulieren ist.