在雙層石墨烯量子點(diǎn)中捕獲和控制電子為量子信息技術(shù)提供了一個(gè)有前途的平臺(tái)。加州大學(xué)圣克魯斯分校的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙層石墨烯中量子點(diǎn)的首次直接可視化，揭示了被困電子的量子波函數(shù)的形狀。

該結(jié)果于 11 月 23 日發(fā)表在Nano Letters 上，提供了開發(fā)基于雙層石墨烯 量子點(diǎn)的量子信息技術(shù)所需的重要基礎(chǔ)知識(shí)。

“為量子信息科學(xué)開發(fā)這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)做了很多工作，但我們一直沒有了解這些量子點(diǎn)中的電子是什么樣子，”通訊作者、物理學(xué)助理教授小賈羅·貝拉斯科 (Jairo Velasco Jr.) 說。加州大學(xué)圣克魯斯分校。

雖然傳統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)將信息編碼為表示為 0 或 1 的位，但由于量子疊加，量子位或量子位可以同時(shí)表示兩種狀態(tài)。理論上，基于量子位的技術(shù)將大幅提高某些類型計(jì)算的計(jì)算速度和容量。

基于從金剛石到砷化鎵等材料的各種系統(tǒng)正在被探索作為創(chuàng)建和操縱量子位的平臺(tái)。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)是一種有吸引力的材料，因?yàn)樗子谏a(chǎn)和使用，而且雙層石墨烯中的量子點(diǎn)具有理想的特性。

“這些量子點(diǎn)是量子信息技術(shù)的新興和有前途的平臺(tái)，因?yàn)樗鼈円种屏俗孕讼喔?、可控的量子自由度以及外部控制電壓的可調(diào)性，”Velasco 說。

了解雙層石墨烯中量子點(diǎn)波函數(shù)的性質(zhì)很重要，因?yàn)檫@一基本特性決定了量子信息處理的幾個(gè)相關(guān)特征，例如電子能譜、電子之間的相互作用以及電子與其環(huán)境的耦合。

Velasco 的團(tuán)隊(duì)使用他之前開發(fā)的一種方法，使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 在單層石墨烯中創(chuàng)建量子點(diǎn)。由于石墨烯位于絕緣的六方氮化硼晶體上，STM 尖端施加的大電壓會(huì)在氮化硼中產(chǎn)生電荷，用于靜電限制雙層石墨烯中的電子。

Velasco 解釋說：“電場(chǎng)形成了一個(gè)畜欄，就像一個(gè)看不見的電柵欄，將電子捕獲在量子點(diǎn)中。”

然后研究人員使用掃描隧道顯微鏡對(duì)畜欄內(nèi)外的電子狀態(tài)進(jìn)行成像。與理論預(yù)測(cè)相反，由此產(chǎn)生的圖像顯示旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性被破壞，三個(gè)峰值而不是預(yù)期的同心環(huán)。

“我們?cè)趩螌邮┲锌吹搅藞A形對(duì)稱環(huán)，但在雙層石墨烯中，量子點(diǎn)狀態(tài)具有三重對(duì)稱性，”Velasco 說。“峰值代表波函數(shù)中高振幅的位置。電子具有雙波粒子性質(zhì)，我們正在可視化量子點(diǎn)中電子的波特性。”

這項(xiàng)工作提供了開發(fā)基于該系統(tǒng)的量子設(shè)備所需的關(guān)鍵信息，例如電子的能譜。“它正在推進(jìn)對(duì)該系統(tǒng)及其量子信息技術(shù)潛力的基本理解，”Velasco 說。“這是拼圖中缺失的一塊，再加上其他人的工作，我認(rèn)為我們正在努力使其成為一個(gè)有用的系統(tǒng)。”

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