石墨烯和hBN用于创建独特的2D量子位

两种新颖的二维材料，石墨烯和六方氮化硼，以及扫描隧道显微镜的尖端 - 这些是用于创造一种新型所谓的“量子点”的成分。这些极小的纳米结构可以通过直接微调其能量水平来精确控制单个电子。这些设备可能是现代量子技术的关键。

新技术的理论模拟在TU Wien进行。该实验涉及亚琛工业大学和来自曼彻斯特的诺贝尔奖获得者Andre Geim和Kostya Novoselov准备样本的团队。

“对于量子技术领域的许多应用，人们需要量子系统，电子占据两个状态 - 类似于经典开关 - 开或关，量子物理也允许开关状态的任意叠加，”解释了TU Wien理论物理研究所的Florian Libisch。

这种系统的关键特性是这两种量子态之间的能量差异：“有效地操纵存储在电子量子态中的信息需要对系统参数进行完美控制。理想的系统允许将能量差从零到大调整，“Libisch说。

对于在自然界中发现的系统 - 例如原子 - 这通常很难实现。原子状态的能量，以及它们的差异，是固定的。在设计用于限制电子的合成纳米结构中，调谐能量变得可能。这种结构通常称为量子点或“人造原子”。

TU Wien，亚琛工业大学和曼彻斯特大学的国际研究团队现在成功开发出一种新型的量子点，与以前相比，它能够更精确，更宽泛地调节受限电子的能级。通过结合石墨烯和六方氮化硼，以及与石墨烯非常相似的单层材料，除了它是绝缘的之外，这种进步成为可能。

与石墨烯一样，氮化硼也形成蜂窝状晶格。Florian Libisch解释说，“石墨烯和六方氮化硼中的蜂窝结构尺寸并不完全相同”。“如果你小心地在六角形氮化硼的顶部放置一层石墨烯，那么这些层就无法完美匹配。这种轻微的不匹配在几纳米的距离上产生了超结构，这导致石墨烯层在完美平面外的极其规则的波状空间振荡。

正如TU Wien的大量模拟显示，石墨烯在六方氮化硼上的这些振荡恰好产生了控制电子能量的理想支架。由常规上层结构产生的潜在景观允许准确地放置量子点，或甚至连续移动它，从而平滑地改变其性质。根据扫描隧道显微镜尖端的确切位置，量子点内部电子态的能级发生变化。Florian Libisch解释说：“通过几纳米的偏移，可以将两个相邻能级的能量差从零到五倍的电子伏特改变为高精度 - 调谐范围比以前大50倍”。

作为下一步，扫描隧道显微镜的尖端可以由一系列纳米电子门代替。这将允许在六方氮化硼上利用石墨烯的量子点状态用于可扩展的量子技术，例如“ 谷电子学 ”。

“这个新兴领域正迅速成为关注的焦点”，Florian Libisch说。“这些原子薄材料有多种潜在的技术应用 - 这也是为什么TU Wien最近还建立了一个专注于二维材料的特殊博士学院。”