Grazie al grafene è possibile creare atomi artificiali e usarli per nuove forme di calcolo quantistico e di comunicazione. Lo hanno fatto alcuni scienziati presso l'Università di Vienna, basandosi su uno specifico comportamento degli elettroni.
Il punto di partenza per realizzare l'idea di atomo artificiale sta nel fatto che gli elettroni, se confinati in uno spazio molto piccolo, si comportano come se fossero vincolati negli orbitali di un atomo. Ciò significa che assumono determinati livelli energetici e spin (il senso di rotazione). È un comportamento radicalmente diverso rispetto a quello degli elettroni "liberi", come quelli per esempio della corrente elettrica.
Si parla quindi di atomo artificiale non perché si è creato un nucleo di protoni e neutroni con elettroni che vi orbitano intorno, ma perché si è creato uno spazio controllato nel quale gli elettroni si comportano come se fossero in un atomo. Ancora più importante, le proprietà di questi elettroni si possono modificare e controllare, come fa notare il prof. Joachim Burgdörfer.
Tale possibilità era già stata dimostrata su materiali semiconduttori come l'arseniuro di gallio che, come in altri casi, permette agli elettroni di assumere uno di due stati quantistici per ogni livello energetico - in questo caso di parla di quantum dot, e ritroviamo questa tecnologia per esempio in alcuni moderni schermi per computer. Ed è qui che entra in gioco il grafene, quel moderno materiale che consiste in uno strato di carbonio spesso un solo atomo - praticamente bidimensionale.
Ebbene, la simmetria del grafene permette di raddoppiare, da due a quattro, i possibili stati quantistici. "ciò apre la strada a nuovi modi per elaborare e archiviare l'informazione quantistica", ha commentato Florian Libisch (Università di Vienna). Creare un atomo artificiale e riuscire a controllarlo, tuttavia, si è rivelato piuttosto difficile.
Per esempio il taglio del grafene compromette la simmetria del materiale ed elimina la possibilità di avere quattro stati quantistici. Invece di tagliare il grafene è però possibile un microscopio a effetto tunnel per applicare localmente un campo elettrico, e isolare così una piccola regione sulla superficie del grafene dove intrappolare gli elettroni. Successivamente un campo magnetico permette di intrappolare gli elettroni in orbite circolari; "se usassimo solo il campo elettrico, gli elettroni sfuggirebbero velocemente alla trappola", aggiunge Libisch.
Gli atomi artificiali così ottenuti permettono nuovi esperimenti quantistici. "Quattro stati localizzati allo stesso livello energetico permettono di passare da uno stato all'altro per archiviare informazioni", dice infatti Burgdörfer. Un'affermazione che rimanda direttamente al calcolo e al computer quantistico, in particolare al metodo per salvare i dati. Il sistema elaborato in Austria, inoltre, è molto scalabile: su uno stesso foglio di grafene sarebbe possibile ricavare moltissimi di questi atomi artificiali e creare così uno strumento molto potente ed efficiente.