海市蜃樓是自然界中一種十分有趣的現象。量子海市蜃樓效應（Quantum mirage）是海市蜃樓的量子版本，該效應顯示橢圓量子圍欄中其中一個焦點所擺放原子的近藤效應能在另一個焦點處被探測到，從而展示了一種在原子尺度下傳輸信息的可能性，並能對原子和分子性質進行幾乎無干擾的遠端探測。前人的工作是利用近藤效應來實現量子海市蜃樓，僅能在費米能級附近進行探測。這很大程度上限制了它物理機制的探索和可能應用。物理學院丁海峰課題組新近發現了一種不依賴近藤效應的量子海市蜃樓效應，該效應不再侷限於費米能級附近，而是能夠在較寬的能量範圍內進行探測，在此基礎上還揭示了量子海市蜃樓的物理機制並構建了在原子尺度上的基本邏輯門。
結合系統的實驗探究和解析模型，該研究揭示了量子海市蜃樓的形成機制，表明量子海市蜃樓是由橢圓量子圍欄的一個沒有放置原子的焦點的電子波函數與經過圍欄和放置在另一焦點處的原子反射回來的波函數相干疊加的結果。在此基礎上還進一步通過對量子海市蜃樓的精密調控實現了基本邏輯操縱，如邏輯非門，扇出門和或門等。圖1展示了邏輯非門。與量子海市蜃樓中利用量子相干疊加中相干增強的原理不同，邏輯非門的設計是基於量子相干疊加中的相干相消。當在橢圓的左焦點中放置原子時（輸入為“1”，形貌圖如圖1a所示），相干相消使得輸出的信號（如圖1b所示，右焦點的dI/dV強度）減弱，形成信號為“0”的輸出，而當左焦點處未放置原子時（輸入為“0”，形貌圖如圖1c所示）,形成信號為“1”的輸出（如圖1d所示），從而形成邏輯非門。
圖1.邏輯非門(NOT gate): (a) 在橢圓量子圍欄左焦點放置1個Fe原子的形貌圖。(b) 相應的在39 mV下的dI/dV譜圖，在右焦點處，相干相消使得輸出信號為“0”。(c) 在橢圓左焦點處為空置的形貌圖。(d) 相應的在39 mV下的dI/dV譜圖，右焦點處出現強的信號，輸出為“1”。
一個橢圓僅有兩個焦點，而邏輯們的輸入輸出端通常不止兩個。為了解決這一問題，研究者設計了一種特殊的共焦橢圓，如圖2a所示，將兩個橢圓量子圍欄的其中一個焦點重合，形成共焦橢圓。圖2展示的是邏輯扇出門，將共焦橢圓中的共同焦點作為輸入端（A），其餘兩個焦點作為輸出端（B和C）。可以看出當輸入端（A）處沒有原子時，輸出端（B和C）具有很低的dI/dV輸出信號（輸出為“0”）。而當在輸入端（A）處放置一個原子時，輸出端（B和C）能夠得到很強的掃描隧道譜輸出信號（輸出為“1”）。當將輸入端和輸出端交換時，也能夠實現邏輯或門。
圖2. 邏輯扇出門(FANOUT gate)。(a) 共焦橢圓形貌圖。(b) 相應的在34 mV下的dI/dV譜圖。(c)在共焦橢圓共同焦點處放置一個Fe原子的形貌圖。(d) 與之對應的在34 mV下的dI/dV譜圖。輸入為共同焦點（A）處的原子佔據與否（1或0），輸出為其它兩個焦點（B和C）處的dI/dV值高低（1或0）。
該工作以“Kondo free mirages in elliptical quantum corrals”為題發表在《自然通訊》上。論文第一作者為物理學院李啟立博士，物理學院陳宮教授、孫亮副教授、繆冰鋒副教授，電子學院韓平教授參與了該工作。該工作得到了人工微結構科學與技術協同創新中心、固體微結構物理國家重點實驗室、科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士後科學基金、江蘇省自然科學基金的經費資助。
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