石墨烯是一种非常有前景的新型电子器件材料。早前,科学家们尝试使用窄带石墨烯(称为纳米带),以期制造出酷炫的新型电子设备,而加州大学伯克利分校的科学家们已经发现:当科学家切断宽度小于约5纳米的条带时,石墨烯纳米带具有新的量子特性,使其成为硅半导体的潜在替代品。这使得纳米级电子陷阱在量子计算机中存在潜在的应用。

QC观察丨NIST的新型石墨烯量子点结构研究取得新突破-量子客
由于石墨烯中的磁约束,电子排列成婚礼蛋糕状结构,同心系列的绝缘(红色)和导电(蓝色)环。每层的高度代表该层中电子的能量。SQUID是对弱磁场敏感的transmon的一部分。

如今,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员在石墨烯的研究中又发现了新的用于量子计算领域的潜在应用。

在量子科学和固态物理学的结合中,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员利用磁场将电子群限制在石墨烯(它是一层紧密堆积的碳原子)中的一系列同心环中。

这种分层的“婚礼蛋糕”出现在显示电子能级结构的图像中,根据长期未经测试的量子力学规则,通过实验证实电子如何在狭窄的空间内相互作用。这些发现也可以在量子计算中得到实际应用。

石墨烯是一种非常有前景的新型电子器件材料,因为它具有机械强度,优异的导电能力和超薄的特征,基本上是二维结构。出于这些原因,科学家非常欢迎对这种神奇材料的任何新研究见解。

研究人员在8月24日出版的《科学》杂志上发表了他们的研究结果,他们在石墨烯设备中创建量子点——作为人造原子的微型小岛——冷却到绝对零度以上几度。

电子轨道量子点类似于这些带负电粒子轨道原子的方式。就像梯子上的梯级一样,它们只能根据量子理论的规则占据特定的能级。但是,当研究人员应用磁场时,会发生一些特殊情况,磁场进一步限制围绕量子点旋转的电子。当施加的场达到约1特斯拉的强度(约为小条形磁铁的典型强度的100倍)时,电子更紧密地堆积在一起并且更强地相互作用。

结果是,电子将自身重新排列成一种新颖的图案:表面上交替的一系列导电和绝缘同心环。当研究人员堆叠以不同电子能级记录的同心环图像时,得到的图像类似于婚礼蛋糕,电子能量作为垂直维度。

扫描隧道显微镜通过记录样品的不同区域和显微镜触针的超锐利尖端之间的电子流来对具有原子级分辨率的表面进行成像,揭示了该结构。

“这是一个问题的教科书例子——确定电子的空间和磁约束的组合效果——当你第一次接触到量子力学时,你从理论上解决了这个问题,但是之前没有人真正看过。”NIST科学家和合著者Joseph Stroscio说,“关键是石墨烯是一种真正的二维材料,表面有暴露的大量电子。”他补充说。“在先前使用其他材料的实验中,量子点被埋在材料里,所以没有人能够看到它们内部,也没有人能够看到当施加磁场时能级如何变化。”

石墨烯量子点已经被提出可用作一些量子计算机的基本组件。

“由于我们看到这种行为始于约1特斯拉的中等场,这意味着在考虑用于量子计算的某些类型的石墨烯量子点时,必须仔细考虑这些电子与电子之间的相互作用。”研究报告的共同作者Christopher Gutierrez说。Christopher Gutierrez现在在温哥华的不列颠哥伦比亚大学,并且在NIST与NIST和马里兰大学的共同作者Fereshte Ghahari和Daniel Walkup一起完成了实验工作。

这一成就也为石墨烯开启了研究人员称之为“相对论量子模拟器”的可能性。相对论描述了物体在以光速或接近光速移动时的行为方式。石墨烯中的电子具有不寻常的特性——它们像无质量一样移动,就像光的粒子一样。虽然石墨烯中的电子实际上比光速慢得多,但它们的轻质无质量行为使它们有了“相对论(relativistic)”物质的绰号。这项新研究打开了创建桌面实验(table-top experiment )的大门,以研究强局限的相对论物质。

测量结果表明,科学家可能很快就会发现,在低温下限制在固态材料中的电子相互作用会产生更多的奇异结构。

这项工作的合著者包括麻省理工学院、哈佛大学、马里兰大学纳米中心和日本茨城县国家材料科学研究所的研究人员。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并整理在量子客(Qtumist.com)上发布。

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