研究人員利用掃瞄隧道顯微鏡,第一次看到雙層石墨烯上量子點的形態,為量子資訊科技發展邁出了重要的一步。

禁錮在雙層石墨烯量子點內的電子,是很有前景的量子資訊科技平台。這項11 月23 日發表在《納米快報》(Nano Letters) 上的研究,加州大學聖克魯斯分校的研究人員第一次直觀顯示雙層石墨烯材料內量子點的形態,展示了被禁錮電子的波函數特徵。

研究者之一物理學助理教授維拉斯科(Jairo Velasco) 說:「雖然之前為發展量子資訊科技開發這個系統(雙層石墨烯量子點系統)做了很多工作,但是我們一直不知道電子在這些量子點內的形態。」

傳統數字信息以0 和1 為基本編碼單位,即數位比特,量子電腦的使用的量子數位在這兩個編碼基礎上,還有一種既是0 又是1 的量子疊加態。這將大幅提升量子電腦處理信息的速度和能力。從鑽石到砷化鎵,科學家在嘗試多種不同的材料構建量子比特。雙層石墨烯也是很有吸引力的一種,每一層石墨烯是由碳原子排成蜂窩晶體形態的二維結構。這種材料易於製造和操控,而且其中的量子點具有所有所需的特性。

維拉斯科說:「這種量子點具有受抑制的自旋退相乾性、可控的量子自由度,以及可以由外加電壓進行調整的這些特性,使它們成為近來新興的量子資訊科技平台,很有潛力。」

而了解在石墨烯材料內量子點的波形函數,是發展量子資訊科技的關鍵基礎之一。因為這個基本特性決定了量子信息處理過程的很多相關的特點,比如電子能譜、電子間的互動,以及電子和周圍環境的綁定等。

研究人員從掃瞄隧道顯微鏡的成像上看到,「電場產生一道圍牆,猶如一堵不可見的電子圍欄,把電子禁錮在量子點內。」維拉斯科說。

量子點呈現一種三重對稱的結構,即一個平面內每120 度的形態是等同的。在「電子牆」內,出現三個尖峰形態。這出乎研究人員的意外,因為這與他們在單層石墨烯內看到的同心環形狀完全不同。

「我們在單層石墨烯內看到對稱的同心環,但是在雙層石墨烯內的量子點卻呈現三重對稱形態。」維拉斯科說:「這些尖峰代表的是波函數的振幅高點。」

這項研究提供了開發基於這種系統的量子設備所需的重要信息。維拉斯科說:「我們對這種系統的了解又進了一步,為謎題的拼圖又拼上一小塊,結合其他同行的工作,我相信我們正朝著一個有用的系統的方向邁進。」◇