在石墨烯中创造“人工原子”，或推动量子信息技术发展  Nano Letters 论文推荐

科学家在石墨烯创造出能够捕获电子、让其占据离散能级的“人工原子”。由于石墨烯晶格的对称性则可允许四个量子态，这一特性为量子信息的储存与计算开辟了新的处理路径。...



科学家在石墨烯创造出能够捕获电子、让其占据离散能级的“人工原子”。由于石墨烯晶格的对称性则可允许四个量子态，这一特性为量子信息的储存与计算开辟了新的处理路径。翻译 张奕林

审校 谭坤


扫描隧道显微镜的带电尖端与石墨烯中外加磁场引起的局域稳定电子态。来源：Nils Freitag, RWTH Aachen

在小小的量子势阱中，电子的行为与其在自由空间中大相径庭。他们只能占据一些固定的能级，与原子中的电子非常相似——因此这样的电子势阱常被称为“人工原子”（ artificial atoms）。人工原子往往能表现出超越一般原子的性质，因而在诸如量子计算等方面有着潜在应用价值。如今科学家们在碳材料石墨烯上制备出人工原子，并向我们展现了他们的独特性质。这一研究项目依赖于TU Wien（维也纳，奥地利），RWTH Aachen（德）与University of Manchester（英）三个机构科学家的通力合作，研究成果发表在《纳米通讯》（Nano Letters）杂志上。

构建人工原子 

“我们能直接调控人工原子的性质，这使得人工原子为开辟了全新可能性。来自维也纳 TU Wien 的 Joachim Burgdörfer 教授说道。在诸如砷化镓这样的半导体材料中，科学家们已经能够将电子束缚在微小的势阱中，这类结构常被称为“量子点”（ quantum dot）。在一般原子中，电子只能沿着特定轨道环绕原子核运动，在量子点中也是一样，电子被束缚在离散的量子态中。

近年来，石墨烯作为一种单层碳原子材料而备受学界关注。而利用石墨烯构建人工原子，则带来了更多有趣的可能性。“在大多数材料中，对于一个给定的能量，电子能占据两个不同的量子态。而石墨烯晶格的对称性则可允许四个量子态，这一特性为量子信息的处理与存储开辟了新的路径。”来自TU Wien的Florian Libisch解释说。但在石墨烯上制备高度受控的人工原子却并非易事。



Florian Libisch 在解释石墨烯的结构。图片来源：TU Wien

只有理论还不够……

 

制备人工原子的方式有很多：最简单的方式是将电子导入细小的薄片中，再从材料的薄层中切割出来。虽然这种方法对石墨烯有效，但是薄片边缘的不平滑会导致了材料的对称性破缺，使石墨烯原有的四重简并的多态减少至一般的二重简并。

因此科学家们必须找到其他的方法来实现人工原子的制备：实际上并不一定需要用石墨烯薄片来捕获电子，如果能巧妙地整合利用电磁场则会是一个更好的方案。借助扫描隧道显微镜的尖端，科学家们能构建局域电场。用这种手段他们在石墨烯表面构建出一个小区域，用来捕获低能的电子。与此同时，对这一区域施加外磁场，驱使电子在小环形轨道中运动。“如果我们只用电场，那么量子效应会使得电子很快跳出势阱。” Libisch 解释道。

人工原子的测量工作由 RWTH Aachen 的教授 Markus Morgenstern 课题组的Nils Freitag 和 Peter Nemes-Incze 完成。TU Wien（维也纳）的 Larisa Chizhova，Florian Libisch 和 Joachim Burgdörfer 负责模拟与理论模型的构建。超净石墨烯样品来自Manchester（英）的 Andre Geim 和 Kostya Novoselov团队——这两位科学家因首次制备石墨烯薄膜而被授予2010年度诺贝尔奖。

这一全新的人工原子如今让诸多量子技术实验成为了可能：“四种能量相同的局域电子态可以实现不同量子态之间的切换，从而储存信息。” Joachim Burgdörfer 表示。电子能很长时间地保持任意叠加态，这是实现量子计算机的理想性质。此外，新技术手段具有很大的可扩展性优势：研究人员可以在一个小尖端上放置许多类似的人工原子，从而实现各种量子信息的应用。

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