双层石墨烯量子点中电子的捕获和控制为量子信息技术提供了一个很有前景的平台。加州大学圣克鲁斯分校的研究人员现在已经实现了双层石墨烯中量子点的第一次直接可视化，揭示了捕获电子的量子波函数的形状。
研究结果发表在11月23日的《纳米快报》上，为发展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。
“为了开发量子信息科学的这个系统，已经做了大量的工作，但是我们从来没有弄明白这些量子点中的电子是什么样子的，”物理学记者兼助理教授小海罗维拉斯科说。加州大学圣克鲁斯分校。
虽然传统的数字技术将信息编码为代表0或1的比特，但由于量子叠加，量子位或量子位可以同时代表两种状态。理论上，基于量子位的技术将大大提高某些类型计算的计算速度和容量。
基于从钻石到砷化镓等材料的各种系统正在被探索，作为创建和操纵量子位的平台。双层石墨烯(two-layer graphene，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，并且双层石墨烯中的量子点具有理想的特性。
“这些量子点是量子信息技术的一个新的、有前途的平台，因为它们抑制自旋退相干、可控的量子自由度和外部控制电压的可调性，”维拉斯科说。
了解双层石墨烯中量子点波函数的性质很重要，因为这个基本性质决定了量子信息处理的几个相关特性，如电子能谱、电子之间的相互作用以及电子与其环境的耦合。
维拉斯科的团队使用了他以前开发的一种方法，使用扫描隧道显微镜在单层石墨烯中创建量子点。由于石墨烯位于绝缘六方氮化硼晶体上，STM针尖施加的高电压会在氮化硼中产生电荷，可用于静电限制双层石墨烯中的电子。
维拉斯科解释说：“电场形成了一个围栏，就像一个看不见的电栅栏，将电子捕获在量子点中。”
然后，研究人员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，得到的图像显示旋转对称被打破，有三个峰值而不是预期的同心环。
“我们在单层石墨烯中看到圆形对称环，但在双层石墨烯中，量子点状态具有三重对称性，”维拉斯科说。“峰值代表波函数中高振幅的位置。电子具有双波粒子特性，我们正在可视化量子点中电子的波特性。”
这项工作提供了开发基于该系统的量子器件所需的关键信息，如电子的能谱。“它正在推进对该系统及其量子信息技术潜力的基本理解，”维拉斯科说。“这是拼图中缺失的一块，通过其他人的努力，我认为我们正在努力使它成为一个有用的系统。”
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