Visualizan la amplitud de probabilidad de los electrones atrapados en puntos cuánticos creados en bicapas de grafeno.
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A veces algunos resultados científicos son importantes simplemente porque son bellos. Para algunos que vimos la función de onda en los libros de texto como funciones matemáticas, verlas de forma directa es todo un placer.
En realidad, la función de onda es compleja, es decir que vive en el plano matemático de los números complejos. Así que no se puede representar como una gráfica. Sí que se puede representar su densidad de probabilidad o amplitud, que es un función real y, en principio, algo que sería medible y, por tanto, visualizable en un reconstrucción de imagen.
Ya hace décadas, IBM demostró que esto era posible, incluso a nivel atómico, con su microscopio de efecto túnel (STM), en el que una aguja fina se paseaba por una superficie y que, a través del átomo que estuviera en su punta, se establecía una corriente por efecto túnel.
Eran bonitas sus representaciones de corrales cuánticos, una cerca de átomos en una superficie que mantenía a los electrones superficiales encerrados como si fueran ovejas o cabras. Ver las ondulaciones internas de la densidad de probabilidad de esos electrones, reflejo de la función de onda que se puede calcular para ese pozo de potencial, era fascinante.
No se ha avanzado mucho más desde esa época, porque ya entonces nos habíamos topado con la escala atómica. Un resultado reciente en este campo viene de la aplicación de esta idea a los puntos cuánticos.
Los puntos cuánticos son pozos de potencial cuadrados. Cuando se encierran electrones en ellos, estos tienen una serie de niveles de energía cuánticos que son similares a los de los átomos, pero no iguales. Esto se debe a que el potencial eléctrico de los átomos es de tipo coulombiano, es decir, como un embudo, mientras que en los puntos cuánticos son cuadrados, como una caja.
Los puntos cuánticos se confeccionan generalmente con semiconductores. Pese a que se inventaron hace ya más de veinte años, ha costado ver aplicaciones con ellos. Ya hay pantallas de televisión planas que los usan. Como se pueden construir puntos cuánticos a voluntad, se pueden crear «átomos» artificiales con ellos que estén sintonizados ópticamente para rendir un color concreto que corresponde a una salto entre dos de esos niveles de energía.
En el caso que nos ocupa se trata de puntos cuánticos construidos en una bicapa de grafeno. Investigadores de la Universidad de California en Santa Cruz han podido reconstruir su «función de onda», que es la que se muestra en la imagen de cabecera.
Según Jairo Velasco, ha habido mucho trabajo previo en el desarrollo de estos sistemas cuánticos, pero que se echaba de menos una mejor comprensión de qué aspecto tiene la función de ondas de los electrones en estos puntos cuánticos.
La idea de aplicabilidad de puntos cuánticos en este caso es usarlos como qubits en computación cuántica, un campo que tiene ahora mucho desarrollo. Dentro de algunas décadas se espera que con las computadoras cuánticas se puedan realizar cálculos que ahora son inviables, entre otros simulaciones de sistemas cuánticos.
Aunque los puntos cuánticos se han confeccionado con semiconductores como arseniuro de galio y similares, algunos investigadores se han centrado en crearlos en bicapas de grafeno. Este material es atractivo porque es barato y fácil de producir. Además, los puntos cuánticos que se pueden definir en estas bicapas tienen propiedades deseables. Entre otras propiedades deseables está que pueden suprimir la decoherencia de spin, se puede controlar los grados de libertad y se pueden sintonizar con un control de voltaje.
Comprender bien la función de ondas de los electrones en estos puntos cuánticos es fundamental para saber las propiedades básicas que determinan las cualidades del procesamiento cuántico de la información si estos actúan como qubits, la interacción entre electrones o el acoplamiento entre los mismos con el ambiente exterior.
En este caso los investigadores depositaron una mococapa grafeno sobre una cristal de nitruro de boro que es aislante eléctrico. Luego, con la punta del STM se aplicó un voltaje en ciertos puntos de tal modo que el nitruro de boro se quedaba cargado eléctricamente, creando así un corral cuántico muy pequeños y, por tanto, un punto cuántico. Digamos que el campo electrostático hace de «cerca» eléctrica del corral e impide que los electrones se escapen. Además se puede añadir otra capa de grafeno superior para formar una bicapa.
Entonces los investigadores barrieron con el STM el punto cuántico y sus alrededores para reconstruir la función de ondas. En contra de las predicciones que había sobre la forma de la función de ondas (de nuevo, densidad de probabilidad) se observó que tenía rota su simetría de rotación, con tres picos en lugar de unos anillos concéntricos.
Cuando se trata de una monococapa de grafeno, la función de ondas del punto cuántico sí tiene simetría de revolución, pero en la bicapa los estados del punto cuántico tienen una simetría de 120 grados. Los picos corresponden o representan sitios con alta amplitud de la función de ondas.
El trabajo proporciona información crucial, como la energía del espectro de los electrones en este tipo de puntos cuánticos, algo que es necesario para desarrollar dispositivos cuánticos basados en estos materiales.
«Es la pieza que faltaba del rompecabezas y junto con el trabajo de otros, creo que vamos hacia la creación de un sistema útil», dice Velasco.
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Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Foto: Zhehao Ge, Frederic Joucken, and Jairo Velasco Jr.