石墨烯“人造原子”，開啟新世界大門

材料牛注：隨著量子衛星的發射成功，量子信息的傳導越來越受到人們的關注。利用石墨烯制備的“人造原子”，具備普通材料所沒有的四重量子態，在量子信息的傳遞上前景廣闊。除此之外，它的各項特性使其量子材料的研究提供了多種可能。

掃描隧道顯微鏡附加磁場引導下觀察到的局部穩定石墨烯的電子態圖

電子在小型量子阱中與未經束縛時的狀態大不相同，就像在原子中的電子一樣，它們只能占有離散能級。正是由于這個原因，這種量子阱也被稱作“人造原子”。人造原子同樣擁有不同于量子阱的特性，其在量子計算中也大有應用潛力。這些附加屬性如今在石墨烯碳材料的人造原子中得以體現。這項由維也納技術大學（奧地利）、亞深工業大學（德國）和曼徹斯特大學（英國）的科學家取得的科研成果已經發表于期刊?Nano Letters。

制備人造原子

“人造原子打開了一扇新世界的大門，我們可以直接調整它們的性能。”維也納技術大學的Joachim Burgd?rfer教授說。在諸如砷化鎵的半導體材料中，利用小型勢阱捕獲電子已成為可能，這些勢阱也被稱為“量子點”。就像在原子中一樣，勢阱中的電子只能圍繞核心做圓周運動，因而量子點中的電子被分離成離散的量子態。

不僅如此，石墨烯的應用更是開啟了材料研究的新的可能，近年來材料界對這種含有單層碳原子的材料給予了高度的關注。“在大多數材料中，能量一定的電子只能占據兩個不同的量子態，高對稱的石墨烯晶格可使其占據四個量子態，這為量子信息的獲取和存儲提供了新方法。”維也納技術大學的Florian Libisch解釋說。然而，在石墨烯中制備易于控制的人造原子也是一項難度不小的挑戰。

邊緣切割法已不能滿足要求

制備人造原子的方法各有不同：最簡單的方法即將電子置于薄片上，切出一薄層材料。盡管這一方法在石墨烯材料上很適用，但其對稱性被破壞，切割下來的薄層也不能極盡平滑。最終，石墨烯材料中特殊的四重量子態又降為兩個。

因此，我們發現了與此不同的制備方法：單純利用微小石墨烯薄片去捕獲電子是遠遠不夠的，將電場和磁場進行巧妙組合，利用復合場去捕捉電子才是更好的途徑。通過掃描隧道顯微鏡，我們可以對材料局部施加電場。這樣，我們可以在石墨烯表面建立捕獲低能電子的微小區域。與此同時，利用磁場將電子囚禁在圓周軌道中。“如果只施加電場的話，電子很快就會在量子效應的作用下從中掙脫。” Libisch說。

這種人造原子由亞深工業大學Markus Morgenstern教授團隊中的成員Nils Freitag和Peter Nemes-Incze進行了精確測量，由維也納技術大學的Larisa Chizhova、Florian Libisch和Joachim Burgd?rfer建立了模擬理論模型。英國曼徹斯特大學的Andre Geim和Kostya Novoselov制備了清晰明了的石墨烯樣品，這兩位科學家也因為石墨烯薄片材料的制備工作而首次獲得2010年諾貝爾獎。

這種新型人造原子為許多量子科技實驗提供新的空間。“四種能量相同的局部電子態使得不同量子態與存儲信息之間的轉換變為現實。”Joachim Burgd?rfer說。電子可長時間任意疊加，此乃量子計算機所需的完美特性。另外，這一新方法有其擴展性的巨大優勢：它可適用于薄片上的不同人造原子，并將其運用于量子信息之中。

原文鏈接：'Artificial atom' created in graphene。

文獻鏈接：Electrostatically Confined Monolayer Graphene Quantum Dots with Orbital and Valley Splittings。

本文由編輯部楊洪期提供素材，張文揚編譯，點我加入材料人編輯部。