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量子点的直接可视化揭示了被困电子的量子波函数形状

时间：2022-05-24 15:25:05 来源：

使用扫描隧道显微镜和光谱学可视化双层石墨烯中的量子点揭示了三重对称性。在此三维图像中，峰值表示捕获的电子波形中的高振幅位点。

研究人员使用扫描隧道显微镜观察双层石墨烯中的量子点，这是迈向量子信息技术的重要一步。

在双层石墨烯量子点中捕集和控制电子为量子信息技术提供了一个有希望的平台。加州大学圣克鲁斯分校的研究人员现在已经实现了双层石墨烯中量子点的首次直接可视化，揭示了被俘获电子的量子波函数的形状。

该结果于2020年11月23日在Nano Letters上发表，提供了开发基于双层石墨烯量子点的量子信息技术所需的重要基础知识。

“开发用于量子信息科学的系统的工作很多，但是我们一直缺乏对这些量子点中电子的外观的理解，”通讯作者，物理学助理教授Jairo Velasco Jr.说。加州大学圣克鲁斯分校。

尽管常规数字技术以表示为0或1的位编码信息，但由于量子叠加，量子位或qubit可以同时表示两个状态。从理论上讲，基于量子位的技术将能够大幅提高某些类型的计算的计算速度和容量。

人们正在探索基于从金刚石到砷化镓的材料的各种系统，作为创建和处理量子位的平台。双层石墨烯（两层石墨烯，是蜂窝状晶格中碳原子的二维排列）是一种有吸引力的材料，因为它易于生产和加工，并且双层石墨烯中的量子点具有理想的性能。

“由于这些量子点具有抑制的自旋退相干，可控制的量子自由度以及与外部控制电压的可调谐性，因此是量子信息技术的新兴平台，并且前景广阔。” Velasco说。

了解双层石墨烯中的量子点波函数的性质很重要，因为这种基本性质决定了量子信息处理的几个相关特征，例如电子能谱，电子之间的相互作用以及电子与环境的耦合。

Velasco的团队使用他先前开发的方法，使用扫描隧道显微镜（STM）在单层石墨烯中创建量子点。当石墨烯放在绝缘的六方氮化硼六方晶体上时，在STM尖端上施加的大电压会在氮化硼中产生电荷，这些电荷用于将电子静电限制在双层石墨烯中。

Velasco解释说：“电场产生了一个像看不见的电围栏一样的围栏，将电子捕获在量子点中。”

然后，研究人员使用扫描隧道显微镜对畜栏内外的电子状态进行成像。与理论预测相反，所得图像显示了破碎的旋转对称性，具有三个峰值，而不是预期的同心环。

Velasco说：“我们在单层石墨烯中看到圆形对称环，但在双层石墨烯中，量子点态具有三重对称性。”“这些峰代表了波动函数中高振幅的位置。电子具有双重波粒性质，我们正在观察量子点中电子的波特性。”

这项工作提供了开发基于该系统的量子器件所需的关键信息，例如电子的能谱。Velasco说：“它正在促进对该系统及其对量子信息技术潜力的基本理解。”“这是一个难题的缺失，与其他人的工作一起，我认为我们正在朝着使这个有用的系统迈进。”

参考：Zhehao Ge，Frederic Joucken，Eberth Quezada，Diego R. da Costa，John Davenport，Brian Giraldo，Takashi Taniguchi，Watanabe Kenji，渡边伸彦（Nobuhiko P. Kobayashi）撰写的“具有破碎的旋转对称性和非平凡拓扑结构的双层石墨烯量子点的可视化和操纵” Tony Low和Jairo Velasco Jr.，2020年11月23日，Nano Letters.DOI：
10.1021 / acs.nanolett.0c03453

除了Velasco之外，该论文的第一作者包括Zhehao Ge，Frederic Joucken和UC Santa Cruz的Eberth Quezada-Lopez，以及巴西塞阿拉联邦大学，美国国家材料科学研究所的合著者。日本，明尼苏达大学和UCSC的巴斯金工程学院。这项工作是由美国国家科学基金会和陆军研究办公室资助的。

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