Dynamika przejść spinowo-dolinowych w kropkach kwantowych zdefiniowanych elektrostatycznie w nanorurkach węglowych

Jednym z największych wyzwań dzisiejszej nanofizyki jest budowa komputera kwantowego. W klasycznych komputerach informacja przechowywana jest w postaci bitów – nośnikiem informacji jest ładunek elektryczny. W komputerach kwantowych odpowiednikiem bitów są tzw. qubity, które operują na kwantowych własnościach cząstek, takich jak np. spin elektronu. Podczas gdy bit w określonej chwili może przyjmować tylko jeden z dwóch określonych stanów (0 lub 1), qubit może być w superpozycji tych stanów. Dzięki tej własności komputery kwantowe mogłyby działać wielokrotnie szybciej niż komputery aktualnie przez nas używane.

Obecnie główną przeszkodą w budowie komputera kwantowego jest dekoherencja, czyli niekontrolowana utrata informacji zapisanych na qubitach. Dekoherencja zachodzi przez oddziaływanie spinów elektronowych ze spinami jądrowymi. Pod tym względem znacznie lepsze właściwości niż standardowe półprzewodniki posiadają nanorurki grafenowe (jądro ¹²C ma zerowy spin), stąd też pomysł wykorzystania ich do budowy qubitów. Nanorurki są jednak nieco bardziej skomplikowanym środowiskiem niż popularne półprzewodniki III-V (GaAs, InAs). Struktura pasmowa grafenu posiada dwie nierównoważne doliny. Elektrony oprócz spinu charakteryzuje również stan dolinowy związany z tzw. pseudospinem. Manipulacja qubitem oznacza więc manipulację jednocześnie spinem i doliną. W dotychczas przeprowadzonych eksperymentach zmiany stanu spinowo-dolinowego osiągano za pomocą przejść rezonansowych w zmiennym polu elektrycznym. Wyniki większości eksperymentów, jak i mechanizmy działania tak utworzonego qubitu nie są jednak w pełni zrozumiane. Żeby skutecznie operować qubitem w nanorurkach, musimy doskonale rozumieć zjawiska w nich zachodzące i dynamikę manipulacji spinem i doliną elektronów.

Celem realizowanego projektu jest stworzenie opisu teoretycznego stanów spinowo-dolinowych elektronów uwięzionych w nanorurkach grafenowych oraz charakterystyka dynamiki takich stanów pod wpływem elektrycznego rezonansu spinowo-dolinowego. Nasze symulacje komputerowe pozwalają na bardzo dokładne obliczenia i dają wiarygodny opis rzeczywistych układów. Dla bardziej skomplikowanych, wieloelektronowych układów potrzebne są jednak także metody mniej czasochłonne, przybliżone. Taka metoda zostanie opracowana we współpracy z Instytutem Fotoniki w Castelldefels. Projekt powinien wnieść spory wkład w naszą dotychczasową wiedzę o nanorurkach grafenowych i w dalszej perspektywie dać podstawy teoretyczne dla projektowania nanoukładów na nich opartych.

mgr Edyta Osika

Doktorantka Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH w Krakowie. Należy do zespołu zajmującego się teorią nanostruktur i nanourządzeń. Interesuje się zjawiskami spinowymi w strukturach półprzewodnikowych i grafenowych, szczególnie pod kątem wykorzystania ich w informatyce kwantowej.

Data publikacji: 24.09.2015