En ny grafenkvantepunktstruktur tager kagen

I et ægteskab med kvantevidenskab og solid-state fysik, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har brugt magnetiske felter til at begrænse grupper af elektroner til en række koncentriske ringe inden for grafen, et enkelt lag tætpakket carbonatomer.

Denne lagdelte "bryllupskage, ", der vises på billeder, der viser elektronernes energiniveaustruktur, eksperimentelt bekræfter, hvordan elektroner interagerer i et tæt indesluttet rum i henhold til længe uprøvede regler for kvantemekanik. Resultaterne kan også have praktiske anvendelser inden for kvanteberegning.

Graphene er et meget lovende materiale til nye elektroniske enheder på grund af dets mekaniske styrke, dens fremragende evne til at lede elektricitet og dens ultratynde, hovedsagelig todimensionel struktur. Af disse grunde, forskere glæder sig over enhver ny indsigt i dette vidundermateriale.

Forskerne, der rapporterer deres fund i udgaven af ​​24. august Videnskab , begyndte deres eksperiment med at oprette kvanteprikker - bittesmå øer, der fungerer som kunstige atomer - i grafenenheder, der er afkølet til blot et par grader over det absolutte nul.

Elektroner kredser om kvanteprikker, der ligner den måde, hvorpå disse negativt ladede partikler kredser om atomer. Som trin på en stige, de kan kun indtage bestemte energiniveauer i henhold til kvanteteoriens regler. Men noget særligt skete, da forskerne anvendte et magnetfelt, som yderligere begrænsede elektronerne, der kredsede om kvantepunktet. Når det anvendte felt nåede en styrke på omkring 1 Tesla (ca. 100 gange den typiske styrke for en lille stangmagnet), elektronerne pakkede tættere sammen og interagerede stærkere.

Som resultat, elektronerne omarrangerede sig selv til et nyt mønster:en skiftevis række af ledende og isolerende koncentriske ringe på overfladen. Når forskerne stablede billeder af de koncentriske ringe optaget på forskellige elektronenerginiveauer, det resulterende billede lignede en bryllupskage, med elektronenergi som den lodrette dimension.

Et scannende tunnelmikroskop, hvilke billeder overflader med atomskalaopløsning ved at registrere strømmen af ​​elektroner mellem forskellige områder af prøven og den ultraklarpe spids af mikroskopets stylus, afslørede strukturen.

"Dette er et lærebogseksempel på et problem - at bestemme, hvordan den kombinerede effekt af rumlig og magnetisk indeslutning af elektroner ser ud - som du løser på papir, når du først bliver udsat for kvantemekanik, men at ingen faktisk har set før, "sagde NIST-forskeren og medforfatteren Joseph Stroscio." Nøglen er, at grafen er et virkelig todimensionalt materiale med et udsat hav af elektroner på overfladen, "tilføjede han." I tidligere forsøg med andre materialer, kvanteprikker blev begravet ved materialegrænseflader, så ingen havde været i stand til at kigge inde i dem og se, hvordan energiniveauerne ændrer sig, når der anvendes et magnetfelt. "

Grafenkvantepunkter er blevet foreslået som grundlæggende komponenter i nogle kvantecomputere.

"Da vi ser denne adfærd begynde på moderate felter på næsten 1 Tesla, det betyder, at der skal nøje tages hensyn til disse elektron-elektron-interaktioner, når man overvejer visse typer grafenkvantepunkter for kvanteberegning, "sagde studieforfatter Christopher Gutierrez, nu ved University of British Columbia i Vancouver, der udførte det eksperimentelle arbejde på NIST med medforfattere Fereshte Ghahari og Daniel Walkup fra NIST og University of Maryland.

Denne præstation åbner også muligheder for, at grafen kan fungere som det, forskerne kalder en "relativistisk kvantesimulator." Relativitetsteorien beskriver, hvordan objekter opfører sig, når de bevæger sig ved eller tæt på lyshastighed. Og elektroner i grafen besidder en usædvanlig egenskab - de bevæger sig som om de er masseløse, som partikler af lys. Selvom elektroner i grafen faktisk bevæger sig langt langsommere end lysets hastighed, deres lyslignende masseløse adfærd har givet dem navnet på det "relativistiske" stof. Den nye undersøgelse åbner døren for at skabe et eksperiment på bordplade for at studere stærkt begrænset relativistisk materie.

Målingerne tyder på, at forskere snart kan finde endnu mere eksotiske strukturer frembragt af interaktioner mellem elektroner, der er begrænset til materialer i fast tilstand ved lave temperaturer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.