Un nuovo tipo di bit quantistico nelle nanostrutture di semiconduttori

25 luglio 2023

Questo articolo è stato rivisto in base al processo editoriale e alle politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo al tempo stesso la credibilità del contenuto:

verificato

pubblicazione sottoposta a revisione paritaria

fonte attendibile

correggere le bozze

di Julia Weiler, Ruhr-Universitaet-Bochum

I ricercatori hanno creato uno stato di sovrapposizione quantistica in una nanostruttura di semiconduttore che potrebbe servire come base per l’informatica quantistica. Il trucco: due impulsi laser ottici che agiscono come un singolo impulso laser terahertz.

Un gruppo di ricerca tedesco-cinese è riuscito a creare con successo un bit quantico in una nanostruttura di semiconduttore. Utilizzando una speciale transizione energetica, i ricercatori hanno creato uno stato di sovrapposizione in un punto quantico – una piccola area del semiconduttore – in cui una lacuna elettronica possedeva contemporaneamente due diversi livelli energetici. Tali stati di sovrapposizione sono fondamentali per l’informatica quantistica.

Tuttavia, l’eccitazione dello stato richiederebbe un laser a elettroni liberi su larga scala in grado di emettere luce nella gamma dei terahertz. Inoltre, questa lunghezza d’onda è troppo lunga per focalizzare il raggio sul minuscolo punto quantico. Il team tedesco-cinese ha ora ottenuto l'eccitazione con due impulsi laser ottici a lunghezza d'onda corta finemente sintonizzati.

Il team guidato da Feng Liu dell'Università Zhejiang di Hangzhou, insieme a un gruppo guidato dal dottor Arne Ludwig dell'Università della Ruhr di Bochum e altri ricercatori provenienti dalla Cina e dal Regno Unito, riferiscono i loro risultati sulla rivista Nature Nanotechnology, pubblicata online il 24 luglio 2023 .

Il team ha utilizzato la cosiddetta transizione radiativa Auger. In questo processo un elettrone si ricombina con una lacuna, rilasciando la sua energia in parte sotto forma di un singolo fotone e in parte trasferendo l'energia ad un altro elettrone. Lo stesso processo può essere osservato anche con le lacune elettroniche, in altre parole con gli elettroni mancanti. Nel 2021, un gruppo di ricerca è riuscito per la prima volta a stimolare specificamente la transizione radiativa Auger in un semiconduttore.

Nel progetto attuale, i ricercatori hanno dimostrato che il processo radiativo Auger può essere guidato in modo coerente. Hanno utilizzato due diversi raggi laser con intensità in un rapporto specifico tra loro. Con il primo laser, hanno eccitato una coppia elettrone-lacuna nel punto quantico per creare una quasiparticella composta da due lacune e un elettrone. Con un secondo laser, hanno attivato il processo radiativo Auger per elevare un foro a una serie di stati energetici più elevati.

Il team ha utilizzato impulsi laser finemente sintonizzati per creare una sovrapposizione tra lo stato fondamentale del buco e lo stato energetico più elevato. Il buco esisteva quindi in entrambi gli stati contemporaneamente. Tali sovrapposizioni sono la base dei bit quantistici che, a differenza dei bit convenzionali, esistono non solo negli stati "0" e "1", ma anche nella sovrapposizione di entrambi.

Hans-Georg Babin ha prodotto i campioni di semiconduttori di elevata purezza per l'esperimento presso l'Università della Ruhr di Bochum sotto la supervisione del Dr. Arne Ludwig presso la cattedra di fisica applicata dello stato solido diretta dal professor Andreas Wieck. Nel processo, i ricercatori hanno aumentato l’omogeneità dell’insieme dei punti quantici e hanno garantito l’elevata purezza delle strutture prodotte. Queste misure hanno facilitato l’esecuzione degli esperimenti da parte dei partner cinesi che lavorano con Jun-Yong Yan e Feng Liu.

Maggiori informazioni: Jun-Yong Yan et al, Controllo coerente di un buco orbitale alto in un punto quantico semiconduttore, Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01442-y

Informazioni sul diario: