利用扫描隧道显微镜和光谱技术对双层石墨烯中的量子点进行可视化显示，发现了三倍对称。在这幅三维图像中，波峰代表被捕获电子波形中高振幅的位置。来源:哲浩·格，Frederic Joucken, Jairo Velasco Jr。
研究人员使用扫描隧道显微镜在双层中可视化量子点石墨烯这是量子信息技术发展的重要一步。
在双层石墨烯量子点中捕获和控制电子为量子信息技术提供了一个很有前途的平台。加州大学圣克鲁兹分校的研究人员目前首次实现了双层石墨烯中量子点的直接可视化，揭示了被捕获电子的量子波函数的形状。
该结果于2020年11月23日发表在《纳米快报》上，为开发基于双层石墨烯量子点的量子信息技术提供了重要的基础知识。
加州大学圣克鲁兹分校的物理学助理教授、通讯作者Jairo Velasco Jr.说:“为了开发这个量子信息科学系统，我们做了很多工作，但我们一直没有理解这些量子点中的电子是什么样子的。”
传统的数字技术将信息编码为表示为0或1的位，而一个量子位，或量子位，由于量子叠加，可以同时表示这两种状态。理论上，基于量子位元的技术将使某些类型计算的计算速度和计算能力得到大幅提高。
各种基于从金刚石到砷化镓等材料的系统正在被探索为创造和操纵量子位元的平台。双层石墨烯(两层石墨烯，是碳原子在蜂窝晶格中的二维排列)是一种很有吸引力的材料，因为它易于生产和使用，而且双层石墨烯中的量子点具有令人满意的特性。
Velasco说:“这些量子点是一个新兴的、有前途的量子信息技术平台，因为它们具有抑制自旋退相干、可控的量子自由度和外部控制电压的可调性。”
理解双层石墨烯中量子点波函数的性质非常重要，因为这一基本性质决定了量子信息处理的几个相关特征，如电子能谱、电子间的相互作用以及电子与环境的耦合。
Velasco的团队使用他之前开发的一种方法，利用扫描隧道显微镜(STM)在单层石墨烯中创建量子点。当石墨烯放置在绝缘的六方氮化硼晶体上时，STM尖端施加的大电压会在氮化硼中产生电荷，从而在静电作用下限制双层石墨烯中的电子。
Velasco解释说:“电场产生了一个栅栏，就像一个看不见的电栅栏，它把电子困在量子点中。”
研究人员随后使用扫描隧道显微镜对畜栏内外的电子状态进行成像。与理论预测相反，得到的图像显示了一个破碎的旋转对称，有三个峰，而不是预期的同心圆环。
Velasco说:“我们在单层石墨烯中看到了圆形对称环，但在双层石墨烯中，量子点态具有三倍对称。”“波峰代表波函数中高振幅的位置。电子具有双波粒子性质，我们正在可视化量子点中的电子的波属性。”
这项工作提供了关键的信息，如电子的能谱，需要开发基于该系统的量子器件。Velasco说:“它正在推进对该系统的基本理解，以及它在量子信息技术方面的潜力。”“这是拼图中缺失的一块，结合其他人的工作，我认为我们正在朝着使这个系统有用的方向前进。”
参考文献:《破环对称和非平凡拓扑的双层石墨烯量子点的可视化和操作》，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，这篇论文的作者还包括加州大学圣克鲁兹分校的共同第一作者Zhehao Ge, Frederic Joucken和Eberth Quezada-Lopez，以及来自巴西Ceara联邦大学，日本国家材料科学研究所，明尼苏达大学和UCSC的巴斯金工程学院的合著者。这项工作得到了美国国家科学基金会和陆军研究办公室的资助。
