中國粉體網(wǎng)訊 電子在微小的量子“監(jiān)獄”里的行為與它們在自由空間里的表現(xiàn)相比有很大的不同。它們只能占據(jù)離散的能級，就像原子中的電子那樣——為此，常常把這種電子的“監(jiān)獄”稱為“人工原子”。人工原子還可能具有那些傳統(tǒng)原子不具有的特性，使之具有在很多應(yīng)用方面的潛力例如量子計(jì)算。現(xiàn)在在石墨烯的人工原子中出現(xiàn)了一些這一類的額外屬性。該研究結(jié)果發(fā)表在了《Nano Letters》雜志上，該項(xiàng)目由來自維也納技術(shù)大學(xué)(位于奧地利維也納)，亞琛工業(yè)大學(xué)(德國)和曼徹斯特大學(xué)(英國)的科學(xué)家合作完成。
制造人工原子
“人工原子開辟了新的令人興奮的可能性，因?yàn)槲覀兛梢灾苯诱{(diào)節(jié)其性能，”維也納技術(shù)大學(xué)的Joachim Burgdorfer教授說。在例如砷化鎵等半導(dǎo)體材料中，將電子困在微小的限制區(qū)域內(nèi)已經(jīng)被證明是可能的。這些結(jié)構(gòu)通常被稱為“量子點(diǎn)”。就像在原子中電子只能在某些軌道上繞原子核運(yùn)動(dòng)一樣，這些量子點(diǎn)中的電子被強(qiáng)制進(jìn)入離散的量子態(tài)。
而通過使用石墨烯——一種在過去幾年里已經(jīng)引起了大量關(guān)注的由單層碳原子組成的材料，更多有趣的可能性也被開拓了出來�！霸诖蠖鄶�(shù)材料中，電子可以占據(jù)一個(gè)給定的能量中的兩個(gè)不同的量子態(tài)。但是石墨烯晶格的高對稱性允許電子占據(jù)四個(gè)不同的量子態(tài)。這為量子信息的處理和存儲開辟了新的途徑，”維也納技術(shù)大學(xué)的Florian Libisch解釋說。然而，在石墨烯中制作得到很好控制的人工原子被證明是非常具有挑戰(zhàn)性的。
切割邊緣是不夠的
有不同的方法來制造人工原子：最簡單的方法是把電子放進(jìn)微小的碎片內(nèi)，然后切出薄薄一層材料。雖然這個(gè)方法在石墨烯上也起作用，但是材料的對稱性被碎片的邊緣破壞了，因?yàn)槠溥吘壥遣豢赡芡耆饣�。因此，石墨烯中特殊的四重量子態(tài)縮減成了傳統(tǒng)材料的雙重量子態(tài)。
因此，必須找到不同的方法：使用小的石墨烯碎片來捕獲電子不是必要的。使用電場和磁場的巧妙組合是一個(gè)更聰明的選擇。通過掃描隧道顯微鏡的尖端，可以在局部施加一個(gè)電場。這樣，石墨烯表面上就形成了一個(gè)微小的區(qū)域，低能電子可以被束縛在該區(qū)域內(nèi)。同時(shí)，通過施加一個(gè)磁場，這些電子被迫進(jìn)入微小的圓形軌道�！叭绻覀冎皇褂秒妶�，則量子效應(yīng)會使電子迅速的離開陷阱”Libisch解釋說。
這些人工原子由Markus Morgenstern教授的小組里的Nils Freitag和Peter Nemes-Incze在亞琛工業(yè)大學(xué)完成測量。而其模擬和理論模型則是由Larisa Chizhova，F(xiàn)lorian Libisch和Joachim Burgdörfer在維也納技術(shù)大學(xué)開發(fā)的。而這些異常干凈的石墨烯樣品則來自英國曼徹斯特大學(xué)Andre Geim和Kostya Novoselov的團(tuán)隊(duì)——此二人因?yàn)槭状沃瞥鍪┢@得2010年諾貝爾獎(jiǎng)。
這些新的人工原子現(xiàn)在為許多量子技術(shù)實(shí)驗(yàn)開辟了新的可能性：“具有相同的能量的四局域電子態(tài)使得在不同的量子態(tài)之間進(jìn)行從而存儲信息成為可能，”Joachim Burgdörfer。電子能長時(shí)間保存任意疊加態(tài)，這是量子計(jì)算機(jī)所需的理想特性。此外，新的方法具有可擴(kuò)展性這個(gè)大優(yōu)點(diǎn)：在一個(gè)小芯片上放置許多個(gè)這樣的人工原子以在量子信息應(yīng)用中使用它們應(yīng)該是可能的。
