Миниатюрные квантовые ловушки, в которых электроны занимают как в атомах дискретные энергетические состояния, часто называют «искусственными атомами». Свойства таких систем открывают для них многие области применения, в частности, в квантовых компьютерах.

О создании искусственного атома в двумерном углеродном материале, графене, сообщила в журнале Nano Letters команда, состоящая из представителей Венского Технологического Университета (TU Wien), Рейн-Вестфальского Технического Университета Ахена (Германия) и Манчестерского университета (Великобритания).

«В большинстве материалов электроны могут находиться в двух различных квантовых состояниях с одинаковой энергией. Высокая симметрия решетки графена позволяет им занимать четыре разных квантовых состояния. Это открывает новые пути для обработки и хранения квантовой информации», – поясняет Флориан Либих (Florian Libisch) из TU Wien.

Простейший способ создания графеновой ловушки, это поместить электроны в мельчайшие фрагменты, вырезанные из слоя графена. Но так как границы нельзя сделать идеально ровными, они нарушают симметрию материала и сводят четыре состояния графена к обычным двум.

В варианте, на котором в конечном итоге остановились авторы, для локализации электронов вместо физического ограничения размеров графена использовалась комбинация электрического и магнитного полей. При приближении острия зонда сканирующего туннельного микроскопа к поверхности материала, на графене образовывался крохотная область, где могли удерживаться электроны, обладающие достаточно низкой энергией. Воздействие магнитного поля заставляло пойманные электроны двигаться по миниатюрным круговым орбитам. «Если бы мы использовали только электрическое поле, квантовые эффекты позволили бы электронам быстро найти выход из ловушки», – отметил Либих.

Наличие четырех локализованных электронных состояний с одинаковой энергией позволяет использовать графеновый искусственный атом для высокоплотного хранения квантовой информации. Электроны в нем способны сохранять заданную суперпозицию в течение долгого времени. Дополнительный бонус такого решения – в его масштабируемости: на небольшом чипе можно разместить множество подобных искусственных атомов для использования в квантовых вычислениях.