層狀石墨烯在二維空間顯示出獨特的量子約束效應

了解電子是如何在二維層狀材料(2DLM)中的運動,將推進量子計算和通信方面的進步。通過研究二維(2-D)和原子形式碳(atom-thin form of carbon)兩種不同配置的雙層石墨烯,科學家已經檢測到了電子和光學層間共振。

層狀石墨烯在二維空間顯示出獨特的量子約束效應

在這些共振狀態下,電子以相同的頻率在二維界面的兩個原子平面之間來回反彈。通過描述這些狀態,他們發現將其中一個石墨烯層相對於另一個扭曲 30 度,而不是將層直接堆疊在一起,會將共振轉移到一個較低的能量。

層狀石墨烯在二維空間顯示出獨特的量子約束效應

從這個剛剛發表在《物理評論快報》上的結果中,他們推斷出,與堆疊的配置相比,在扭曲的配置中,兩層之間的距離明顯增加。當這個距離發生變化時,層間的相互作用也會發生變化,從而影響到電子在雙層系統中的運動方式。對這種電子運動的理解可以為未來量子技術的設計提供參考,以實現更強大的計算和更安全的通信。

層狀石墨烯在二維空間顯示出獨特的量子約束效應

美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室功能納米材料中心(CFN)界面科學和催化小組的博士後戴中偉(Zhongwei Dai,音譯)說:「今天的計算機晶片建立在我們對電子如何在半導體,尤其是矽中移動的了解之上的。但是矽的物理特性正在達到一個物理極限,也就是電晶體的大小以及在一個晶片上可以容納多少個。如果我們能夠理解電子如何在二維材料的縮小尺寸中以幾納米的小尺度移動,我們也許能夠解開另一種利用電子進行量子信息科學的方法」。

在這項研究中,該團隊選擇了一個簡單的材料模型–石墨烯來研究量子約束效應,應用兩種不同的探針:電子和光子(光的粒子)。為了探測電子和光學共振,他們使用了一種可以將石墨烯轉移到其上的特殊襯底。共同通訊作者 Jurek Sadowski 此前曾為量子材料印刷機(QPress)設計過這種基底。

層狀石墨烯在二維空間顯示出獨特的量子約束效應

QPress 是 CFN 材料合成和表徵設施正在開發的一個自動化工具,用於合成、加工和表徵層狀二維材料。傳統上,科學家在幾百納米厚的二氧化矽基底上從三維母體晶體(如石墨中的石墨烯)中剝離出二維材料”薄片”。然而,這種基底是絕緣的,因此基於電子的詢問技術不起作用。因此,Sadowski和CFN的科學家Chang-Yong Nam以及石溪大學的研究生Ashwanth Subramanian在二氧化矽基底上沉積了一個只有三納米厚的氧化鈦導電層。

來源:cnBeta