Forscher finden Hinweise auf langlebige Talzustände in zweischichtigen Graphen-Quantenpunkten

Beim Quantencomputing steht die Frage, welches physikalische System und welche Freiheitsgrade innerhalb dieses Systems zur Kodierung von Quanteninformationsbits – kurz Qubits – genutzt werden können, im Mittelpunkt vieler Forschungsprojekte, die in physikalischen und technischen Labors durchgeführt werden.

Supraleitende Qubits, Spin-Qubits und Qubits, die in der Bewegung gefangener Ionen kodiert sind, gelten bereits allgemein als Hauptkandidaten für zukünftige praktische Anwendungen von Quantencomputern; Andere Systeme müssen besser verstanden werden und somit einen anregenden Boden für grundlegende Untersuchungen bieten.

Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Wister Huang und ihre Kollegen in der Gruppe der Professoren Klaus Ensslin und Thomas Ihn vom Departement Physik der ETH Zürich haben sich mit zweischichtigen Graphen-Quantenpunkten (BLG) befasst, die als potenzielle Plattform für Spin-Qubits gelten , um herauszufinden, ob ein anderer Freiheitsgrad von BLG zur Kodierung von Quanteninformationen genutzt werden kann.

Ihre neuesten Erkenntnisse, eben veröffentlicht In Naturphysik zeigen zusammen mit Mitarbeitern des National Institute for Materials Science in Japan, dass der sogenannte Talfreiheitsgrad in BLG mit Quantenzuständen verbunden ist, die extrem langlebig sind und daher als zusätzliche Ressource für Festkörperquanten weiter in Betracht gezogen werden sollten Rechnen.

Es liegt alles an der Gitterstruktur

Graphen ist ein zweidimensionales Material, das aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die in einer hexagonalen Gitterstruktur gebunden sind. Sein blattartiges Aussehen täuscht, denn Graphen gehört zu den stärksten Materialien auf der Erde; Seine mechanischen und elektronischen Eigenschaften sind für viele Industriezweige von großem Interesse.

Im Bilayer-Graphen-System, dem von den Forschern verwendeten System, liegen zwei Lagen Kohlenstoffatome übereinander. Sowohl Graphen als auch BLG sind Halbmetalle, da ihnen die charakteristische Energiebandlücke fehlt, die in Halbleitern und insbesondere in Isolatoren zu finden ist. Dennoch kann in BLG eine einstellbare Bandlücke erzeugt werden, indem ein elektrisches Feld senkrecht zur Blattebene angelegt wird.

Das Öffnen einer Bandlücke ist notwendig, um BLG als Wirtsmaterial für Quantenpunkte zu verwenden, bei denen es sich um „Kästen“ im Nanometerbereich handelt, die einzelne oder wenige Elektronen einschließen können. Quantenpunkte werden normalerweise aus Halbleiter-Wirtsmaterialien hergestellt und bieten eine hervorragende Kontrolle über einzelne Elektronen. Aus diesem Grund sind sie eine wichtige Plattform für Spin-Qubits, Systeme, bei denen Quanteninformationen im Freiheitsgrad des Elektronenspins kodiert sind.

Da Quanteninformationen viel anfälliger dafür sind, durch die Umgebung verfälscht zu werden – und daher für Rechenaufgaben ungeeignet zu werden – als ihr klassisches Gegenstück, müssen Forscher, die verschiedene Qubit-Kandidaten untersuchen, ihre Kohärenzeigenschaften charakterisieren: Diese sagen ihnen, wie gut und wie lange die Quanteninformation ist Informationen können in ihrem Qubit-System überleben.

Bei den meisten herkömmlichen Quantenpunkten kann die Dekohärenz des Elektronenspins durch die Spin-Bahn-Wechselwirkung verursacht werden, die eine unerwünschte Kopplung zwischen dem Elektronenspin und den Schwingungen des Wirtsgitters sowie die Hyperfeinwechselwirkung zwischen dem Elektronenspin und den umgebenden Kernspins einführt.

Sowohl in Graphen als auch in anderen kohlenstoffbasierten Materialien sind sowohl die Spin-Bahn-Kopplung als auch die Hyperfeinwechselwirkung schwach: Dies macht Graphen-Quantenpunkte besonders attraktiv für Spin-Qubits. Die von Garreis, Tong und Co-Autoren gemeldeten Ergebnisse fügen dem Bild eine weitere vielversprechende Facette hinzu.

Das hexagonale Gitter von BLG kann mit speziellen Mikroskopietechniken abgebildet werden.

Die in diesem sogenannten realen Raum beobachtete hexagonale Symmetrie ist auch im Impulsraum vorhanden, wo die Eckpunkte des Gitters nicht den räumlichen Positionen der Kohlenstoffatome entsprechen, sondern den Impulswerten, die mit den freien Elektronen auf dem Gitter verbunden sind. Im Impulsraum finden sich freie Elektronen in den lokalen Minima und Maxima der Energielandschaft, nämlich an den Punkten, an denen sich Leitungs- und Valenzband treffen.

Diese Energieextreme werden Täler genannt. In BLG bedingt die hexagonale Symmetrie die Existenz zweier entarteter Energietäler (die durch die gleiche Elektronenenergie gekennzeichnet sind), die entgegengesetzten Elektronenimpulswerten entsprechen. Dieser Talfreiheitsgrad kann auf ähnliche Weise wie der Elektronenspin in BLG behandelt werden – Täler in Graphen werden üblicherweise Pseudospins genannt.

Während Talzustände in Graphen-Doppelschichten bereits bekannt waren, blieb ihre Eignung als praktische Qubits bisher unklar.

Das Tal hat viel zu bieten

Garreis, Tong und Mitarbeiter betrachteten einen Doppelquantenpunkt – also zwei Punkte mit einstellbarer Kopplung – in BLG und maßen die Relaxationszeit für Tal- und Spinzustände. Die Relaxationszeit legt die zeitliche Skala fest, in der das System von einem Tal- oder Spinzustand in einen anderen übergeht und infolge des Relaxationsprozesses seine Energie verliert und für weitere Qubit-Operationen ungeeignet wird.

Das Forschungsteam stellt fest, dass Talzustände Relaxationszeiten von mehr als einer halben Sekunde haben, ein Ergebnis, das auf vielversprechende Kohärenzeigenschaften für zukünftige Tal-Qubits hinweist.

Die Messung der Spinrelaxationszeit im BLG-Doppelquantenpunkt ergibt einen Wert unter 25 ms, was viel kürzer ist als die Relaxationszeit für Talzustände, aber in guter Übereinstimmung mit den in Halbleiterquantenpunkten gemessenen Spinrelaxationszeiten ist. Wichtig ist, dass beide Werte für eine qualitativ hochwertige Manipulation und Auslesung von Qubits akzeptabel sind.

In der Arbeit beleuchten die Forscher auch Aspekte, die einer weiteren experimentellen und theoretischen Untersuchung bedürfen. Sie präsentieren Daten, die die Abhängigkeit der Relaxationszeiten für Spin- und Valley-Zustände von zwei Parametern zeigen, die voraussichtlich eine Rolle bei der Relaxationsdynamik der Zustände spielen.

Ein Parameter ist die Energieverstimmung: Dies ist die Energiedifferenz zwischen den Grundzuständen zweier unterschiedlicher Konfigurationen für den Doppelquantenpunkt. Die Variation der Verstimmung bedeutet, auf die Energiedifferenz zwischen den am Relaxationsprozess beteiligten Zuständen einzuwirken. Der andere Parameter ist als Inter-Dot-Kopplung bekannt und bestimmt, wie leicht ein Elektron in einem Quantenpunkt in das Territorium des anderen Punkts „eindringen“ kann.

Die Autoren berichten von Verhaltensweisen, die nicht durch die Mechanismen erklärt werden können, die normalerweise in Quantenpunkt-Spin-Qubits ablaufen. Es zeigt sich, dass die Relaxationszeit mit zunehmender Energieverstimmung zunimmt, was nicht mit Beobachtungen in anderen Systemen übereinstimmt. Bemerkenswerterweise bleibt die Talrelaxationszeit durch Variation der Inter-Dot-Kopplung unverändert.

Es ist klar, dass ein umfassenderes Verständnis der Mechanismen erforderlich ist, die die Valley- und Spin-Relaxationszeiten beeinflussen, um herauszufinden, welche Variablen für die Manipulation zukünftiger Valley-Qubits am besten geeignet sind. Unterdessen sprechen die von Garreis, Tong und Mitarbeitern präsentierten Ergebnisse dafür, der Landschaft des Festkörper-Quantencomputings Talzustände in BLG-Quantenpunkten hinzuzufügen.