利用掃描隧道顯微鏡和光譜技術對雙層石墨烯中的量子點進行可視化顯示，發現了三倍對稱。在這幅三維圖像中，波峰代表被捕獲電子波形中高振幅的位置。來源:哲浩·格，Frederic Joucken, Jairo Velasco Jr。
研究人員使用掃描隧道顯微鏡在雙層中可視化量子點石墨烯這是量子信息技術發展的重要一步。
在雙層石墨烯量子點中捕獲和控制電子為量子信息技術提供了一個很有前途的平臺。加州大學聖克魯茲分校的研究人員目前首次實現了雙層石墨烯中量子點的直接可視化，揭示了被捕獲電子的量子波函數的形狀。
該結果於2020年11月23日發表在《納米快報》上，為開發基於雙層石墨烯量子點的量子信息技術提供了重要的基礎知識。
加州大學聖克魯茲分校的物理學助理教授、通訊作者Jairo Velasco Jr.說:“為了開發這個量子信息科學系統，我們做了很多工作，但我們一直沒有理解這些量子點中的電子是什麼樣子的。”
傳統的數字技術將信息編碼為表示為0或1的位，而一個量子位，或量子位，由於量子疊加，可以同時表示這兩種狀態。理論上，基於量子位元的技術將使某些類型計算的計算速度和計算能力得到大幅提高。
各種基於從金剛石到砷化鎵等材料的系統正在被探索為創造和操縱量子位元的平臺。雙層石墨烯(兩層石墨烯，是碳原子在蜂窩晶格中的二維排列)是一種很有吸引力的材料，因為它易於生產和使用，而且雙層石墨烯中的量子點具有令人滿意的特性。
Velasco說:“這些量子點是一個新興的、有前途的量子信息技術平臺，因為它們具有抑制自旋退相干、可控的量子自由度和外部控制電壓的可調性。”
理解雙層石墨烯中量子點波函數的性質非常重要，因為這一基本性質決定了量子信息處理的幾個相關特徵，如電子能譜、電子間的相互作用以及電子與環境的耦合。
Velasco的團隊使用他之前開發的一種方法，利用掃描隧道顯微鏡(STM)在單層石墨烯中創建量子點。當石墨烯放置在絕緣的六方氮化硼晶體上時，STM尖端施加的大電壓會在氮化硼中產生電荷，從而在靜電作用下限制雙層石墨烯中的電子。
Velasco解釋說:“電場產生了一個柵欄，就像一個看不見的電柵欄，它把電子困在量子點中。”
研究人員隨後使用掃描隧道顯微鏡對畜欄內外的電子狀態進行成像。與理論預測相反，得到的圖像顯示了一個破碎的旋轉對稱，有三個峰，而不是預期的同心圓環。
Velasco說:“我們在單層石墨烯中看到了圓形對稱環，但在雙層石墨烯中，量子點態具有三倍對稱。”“波峰代表波函數中高振幅的位置。電子具有雙波粒子性質，我們正在可視化量子點中的電子的波屬性。”
這項工作提供了關鍵的信息，如電子的能譜，需要開發基於該系統的量子器件。Velasco說:“它正在推進對該系統的基本理解，以及它在量子信息技術方面的潛力。”“這是拼圖中缺失的一塊，結合其他人的工作，我認為我們正在朝著使這個系統有用的方向前進。”
參考文獻:《破環對稱和非平凡拓撲的雙層石墨烯量子點的可視化和操作》，作者:哲hao Ge, Frederic Joucken, Eberth Quezada, Diego R. da Costa, John Davenport, Brian Giraldo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Nobuhiko P. Kobayashi, Tony Low和Jairo Velasco Jr.， Nano Letters, 2020年11月23日。DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c03453
除了Velasco，這篇論文的作者還包括加州大學聖克魯茲分校的共同第一作者Zhehao Ge, Frederic Joucken和Eberth Quezada-Lopez，以及來自巴西Ceara聯邦大學，日本國家材料科學研究所，明尼蘇達大學和UCSC的巴斯金工程學院的合著者。這項工作得到了美國國家科學基金會和陸軍研究辦公室的資助。
