量子点的直接可视化揭示了量子波函数的形状

在双层石墨烯量子点中捕获和控制电子为量子信息技术提供了一个有前途的平台。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首次直接可视化，揭示了被困电子的量子波函数的形状。

该结果于 11 月 23 日发表在Nano Letters 上，提供了开发基于双层石墨烯 量子点的量子信息技术所需的重要基础知识。

“为量子信息科学开发这个系统已经做了很多工作，但我们一直没有了解这些量子点中的电子是什么样子，”通讯作者、物理学助理教授小贾罗·贝拉斯科 (Jairo Velasco Jr.) 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表示为 0 或 1 的位，但由于量子叠加，量子位或量子位可以同时表示两种状态。理论上，基于量子位的技术将大幅提高某些类型计算的计算速度和容量。

基于从金刚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(两层石墨烯，是碳原子在蜂窝晶格中的二维排列)是一种有吸引力的材料，因为它易于生产和使用，而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新兴和有前途的平台，因为它们抑制了自旋退相干、可控的量子自由度以及外部控制电压的可调性，”Velasco 说。

了解双层石墨烯中量子点波函数的性质很重要，因为这一基本特性决定了量子信息处理的几个相关特征，例如电子能谱、电子之间的相互作用以及电子与其环境的耦合。

Velasco 的团队使用他之前开发的一种方法，使用扫描隧道显微镜 (STM) 在单层石墨烯中创建量子点。由于石墨烯位于绝缘的六方氮化硼晶体上，STM 尖端施加的大电压会在氮化硼中产生电荷，用于静电限制双层石墨烯中的电子。

Velasco 解释说：“电场形成了一个畜栏，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，由此产生的图像显示旋转对称性被破坏，三个峰值而不是预期的同心环。

“我们在单层石墨烯中看到了圆形对称环，但在双层石墨烯中，量子点状态具有三重对称性，”Velasco 说。“峰值代表波函数中高振幅的位置。电子具有双波粒子性质，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设备所需的关键信息，例如电子的能谱。“它正在推进对该系统及其量子信息技术潜力的基本理解，”Velasco 说。“这是拼图中缺失的一块，再加上其他人的工作，我认为我们正在努力使其成为一个有用的系统。”

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