محققان دانشگاه RWTH آخن و Forschungszentrum Jülich ویژگی‌های مهمی را در نقاط کوانتومی دوتایی در گرافن دو لایه کشف کردند، ماده‌ای که به طور فزاینده‌ای برای کاربردهای احتمالی در فن‌آوری‌های کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تیم نشان داد که تقارن تقریباً کامل حفره/ذره در نقاط کوانتومی گرافنی می‌تواند منجر به پردازش اطلاعات کوانتومی کارآمدتر شود. نتایج این تحقیق در نشریه Nature به چاپ رسیده است.
دامنه استفاده از گرافن در حوزه محاسبات کوانتومی افزایش می‌یابد
نقاط کوانتومی دوتایی به طور گسترده در سکوهای نیمه هادی استاندارد مانند گالیم آرسنید، سیلیکون یا سیلیکون ژرمنوم مورد مطالعه قرار گرفته است، زیرا آن‌ها بستری مناسب برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی فراهم می‌کنند. محققان این پروژه نشان دادند که نقاط کوانتومی دوتایی در گرافن دو لایه بیشتر از سایر مواد چنین امکانی را ارائه می‌دهند. آن‌ها امکان تحقق سیستم‌هایی با تقارن تقریباً کامل حفره-ذره را فراهم می‌کنند، جایی که ایجاد، حمل و نقل و نابودی جفت‌های الکترونی و حفره‌ها از طریق آن رخ می‌دهد.
در سال ۱۹۳۱، فیزیکدان انگلیسی پل دیراک مقاله‌ای منتشر کرد که در آن وجود “ضد الکترون” را پیش بینی کرد. این ضدذره همان جرم الکترون را داشته، اما بار متضاد دارد. کریستوف استامپفر، استاد فیزیک تجربی در دانشگاه RWTH و نویسنده مسئول مقاله توضیح می‌دهد: «گرافن دو لایه یک نیمه‌هادی بسیار منحصر به فرد است. ویژگی‌های مختلف گرافن آن را برای فناوری‌های کوانتومی بسیار جالب کرده است. علاوه بر این، این ماده دارای یک شکاف باند است.»
شکاف باند اجازه می‌دهد تا با استفاده از هندسه‌های دروازه بسیار شبیه به موارد مورد استفاده در سیلیکون، نقاط کوانتومی را در گرافن دو لایه ایجاد کنید. با این حال، به دلیل اندازه کوچک شکاف، این نقاط کوانتومی می‌توانند دو قطبی باشند، به این معنی که بسته به ولتاژ اعمال شده بر روی دروازه‌ها می‌توانند هر دو الکترون و حفره را به دام بی‌اندازند. با بهره‌برداری از این خاصیت در دستگاه‌های دو لایه گرافنی، محققان نقاط کوانتومی دوتایی الکترون را ایجاد کرده‌اند. در چنین سیستمی، حمل و نقل الکتریکی فقط در صورتی رخ می‌دهد که جفت‌های حفره الکترون به طور مداوم ایجاد یا نابود شوند.
این واقعیت یک نتیجه قابل توجه دارد. با تجزیه و تحلیل دقیق جریان از طریق سیستم، نویسندگان توانسته‌اند برای اولین بار تقارن بین حالت‌های الکترون و حفره در گرافن دو لایه را به صورت تجربی اثبات کنند. آن‌ها نشان دادند که تقارن تقریباً کاملاً حفظ می‌شود حتی اگر الکترون و حفره‌ها از نظر فیزیکی در نقاط کوانتومی مختلف از هم جدا شوند.
