层状石墨烯在二维空间显示出独特的量子约束效应

了解电子是如何在二维层状材料(2DLM)中的运动,将推进量子计算和通信方面的进步。通过研究二维(2-D)和原子形式碳(atom-thin form of carbon)两种不同配置的双层石墨烯,科学家已经检测到了电子和光学层间共振。

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在这些共振状态下,电子以相同的频率在二维界面的两个原子平面之间来回反弹。通过描述这些状态,他们发现将其中一个石墨烯层相对于另一个扭曲 30 度,而不是将层直接堆叠在一起,会将共振转移到一个较低的能量。

从这个刚刚发表在《物理评论快报》上的结果中,他们推断出,与堆叠的配置相比,在扭曲的配置中,两层之间的距离明显增加。当这个距离发生变化时,层间的相互作用也会发生变化,从而影响到电子在双层系统中的运动方式。对这种电子运动的理解可以为未来量子技术的设计提供参考,以实现更强大的计算和更安全的通信。

美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心(CFN)界面科学和催化小组的博士后戴中伟(Zhongwei Dai,音译)说:“今天的计算机芯片建立在我们对电子如何在半导体,尤其是硅中移动的了解之上的。但是硅的物理特性正在达到一个物理极限,也就是晶体管的大小以及在一个芯片上可以容纳多少个。如果我们能够理解电子如何在二维材料的缩小尺寸中以几纳米的小尺度移动,我们也许能够解开另一种利用电子进行量子信息科学的方法”。

在这项研究中,该团队选择了一个简单的材料模型--石墨烯来研究量子约束效应,应用两种不同的探针:电子和光子(光的粒子)。为了探测电子和光学共振,他们使用了一种可以将石墨烯转移到其上的特殊衬底。共同通讯作者 Jurek Sadowski 此前曾为量子材料印刷机(QPress)设计过这种基底。

QPress 是 CFN 材料合成和表征设施正在开发的一个自动化工具,用于合成、加工和表征层状二维材料。传统上,科学家在几百纳米厚的二氧化硅基底上从三维母体晶体(如石墨中的石墨烯)中剥离出二维材料"薄片"。然而,这种基底是绝缘的,因此基于电子的询问技术不起作用。因此,Sadowski和CFN的科学家Chang-Yong Nam以及石溪大学的研究生Ashwanth Subramanian在二氧化硅基底上沉积了一个只有三纳米厚的氧化钛导电层。

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